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L’apport du chimiste BUNSEN à la spectroscopie visible

Robert BUNSEN (1811-1899) qui donna son nom au célèbre bec utilisé en laboratoire.

Article mis en ligne le 17 octobre 2009
dernière modification le 27 octobre 2010
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En tant que chimiste, Robert Bunsen a déterminé la composition de diverses substances et est parvenu à isoler plusieurs métaux (Al, Cr, Mn), métaux alcalins (Li, Na) et alcalino-terreux (Ba, Ca, Mg) par électrolyse.

D’ailleurs, n’avez-vous jamais remarqué se qui se passait au niveau de la flamme du brûleur de votre gazinière lorsque l’eau salée vous permettant de préparer votre plat de pâtes favori débordait de la casserole ? Si oui, ceci montre que le sel de cuisine comporte bien l’élément sodium Na (flamme jaune).

La couleur de la flamme pouvait-elle être un moyen d’identifier un élément ?

Il constata qu’en portant ces métaux dans une flamme, ils la coloraient différemment :

Il chemina plus loin dans son questionnement avec le physicien allemand Gustav Kirchhoff ce qui les conduisit à analyser la lumière émise par la flamme à l’aide d’un prisme selon le montage suivant :

analyse spectrale

Le spectre obtenu pour le sodium comportait un doublet de raies colorées (jaune-orangé) brillantes sur un fond sombre.
De la même manière, ils obtinrent le même type de spectre avec chaque élément isolé à l’époque.

Ainsi, non seulement la couleur de la flamme était une indication mais le spectre constituait une véritable carte d’identité de l’élément.

En 1861, ils établirent une méthode d’analyse spectrale
grâce à laquelle purent être mis en évidence deux nouveaux éléments chimiques : le rubidium Rb [1] et le césium Cs [2] par analyse d’une variété de mica, la lépidolite [3], de nouvelles raies colorées inconnues jusqu’alors apparaissant dans son spectre de flamme.

Pour information, le césium 133 est actuellement l’élément qui permet de définir l’unité du Système International de temps : la seconde car il constitue, comme d’autres éléments une horloge atomique.

Ils établirent de plus la différence fondamentale entre raie d’émission (brillante et colorée) et raie d’absorption (noire ou sombre) pour un spectre et les conditions de leur obtention.

Explicitons la démarche en quelques mots :
Le spectre du Soleil était connu depuis 1814 grâce au physicien allemand Josef von Fraunhofer qui avait mis en évidence 476 raies sombres sur un fond coloré couleur arc-en-ciel (pour parler poétiquement).
Spectre solaire Ces raies ont été attribuées à la présence d’éléments dans le Soleil et Fraunhofer en avait identifié 130 sur les 476 mais l’on pensait à l’époque que ces raies sombres étaient des raies peu brillantes et non des raies totalement noires et par conséquent, elles étaient sensées correspondre à l’émission de lumière par de petites quantités d’éléments.

Ceci fut contredit de la manière suivante :
Bunsen et Kirchhoff s’intéressèrent plus particulièrement au doublet de raies sombres D de l’élément sodium Na (dans la partie orange du spectre ), raies bien visibles du spectre.

Ils se dirent qu’en intercalant une flamme contenant ce même élément entre la source lumineuse provenant du Soleil et le prisme, le doublet D devrait paraître plus brillant, l’élément sodium dans la flamme devant alors émettre en plus de l’élément sodium présent dans le Soleil ; or c’est le contraire qui se produisit, le doublet devint plus sombre !

Le spectre du Soleil devait donc être interprété comme le suggère le document suivant :

où la photosphère (surface de l’étoile, gaz chaud à haute pression) émet un rayonnement de spectre continu et la chromosphère (basse atmosphère de l’étoile, gaz "froid" à basse pression) absorbe les rayonnements correspondants aux éléments qui s’y trouvent.

En changeant la température de la flamme, ils en déduisirent qu’un même élément chauffé par une flamme peut soit émettre soit absorber de la lumière, tout dépend de la température à laquelle il est porté et qu’un élément ne peut absorber que les radiations lumineuses qu’il est capable d’émettre.

L’évolution du spectre de flamme du sodium avec la température est donnée par un petit film (température de flamme de plus en plus élevée) présenté sur le site du Laboratoire Aimé Coton (LAC) de l’Université Paris-Sud. avec les réponses aux questions que l’on peut se poser sur l’obtention et l’interprétation d’un tel résultat expérimental qualifié à l’époque par nos deux scientifiques d’ inversion des raies du sodium.

Ils en conclurent les règles empiriques précisées par le document suivant :

permettant de savoir quel type de spectre sera obtenu en fonction de la source lumineuse.

Kirchhoff était physicien et la spectroscopie ou spectrophotométrie est une technique physique qui a révolutionné l’analyse dans tous les laboratoires scientifiques, depuis la chimie jusqu’à l’astrophysique. Cette technique est d’ailleurs étudiée au lycée.

Nous avons vu que R. Bunsen était chimiste et l’élaboration de métaux par électrolyse nécessitant une source d’énergie, il dut mettre au point une pile électrique, la pile Bunsen, ou pile au charbon, intermédiaire entre la pile Daniell et la pile Leclanché que l’on utilise au quotidien.
La pile Bunsen a été utilisée par l’artiste Nadar en 1861 pour effectuer ses premières photographies en lumière artificielle : son choix s’étant porté sur des lieux tels les catacombes ou les égouts de Paris.

En effet, à cette époque, le flash n’existait pas encore ni même d’ailleurs la photographie couleur et les photographes étaient tributaires de la lumière naturelle.

Vous avez d’ailleurs remarqué que le spectre de Fraunhofer présenté plus haut est un cliché en noir et blanc. Pour rendre compte de l’observation faite en couleur du spectre, le dessin était nécessaire, ce que fit Fraunhofer.

Les progrès dans la résolution des spectroscopes font que le nombre de raies sombres observables dans le spectre du Soleil se compte désormais en milliers comme le montrent les clichés couleur récents présentés sur le site de l’Observatoire de Paris.

Revenons sur l’instrument de chauffage qui fut crucial pour les prémices de la spectroscopie, le bec Bunsen. Il est resté un moyen de chauffage très utilisé au laboratoire que l’on apprend à utiliser au lycée.

Lorsqu’il est correctement réglé la réaction globale qui se produit dans la flamme est la combustion complète du méthane et la flamme présente un cône bleu(4).

La couleur et la forme de la flamme dépendent en partie du réglage de la virole qui fixe les proportions de méthane (gaz de ville) et de dioxygène (provenant de l’air).

Plus le débit d’air diminue, moins la flamme est bleue et fixe jusqu’au débit d’air minimal où la flamme est éclairante(1), c’est-à-dire orange et dansante : la combustion est alors incomplète et produit des gaz nocifs comme le monoxyde de carbone CO. [4]
 [5]

Une flamme éclairante n’a cependant pas que des inconvénients car elle a été mise à profit dans l’espace urbain pour l’éclairage public avant que l’électricité ne remplace le gaz.

Disparaissaient alors les allumeurs de réverbères tel celui qu’Antoine de Saint-Exupéry avait fait croiser au Petit Prince, non sans nostalgie d’ailleurs.

N.Yousfi

Notes :

[1Du latin rubidus, rouge sombre en référence à la couleur rouge des raies du spectre du rubidium qui ont permis de le mettre en évidence

[2Du latin caesius, bleu clair en référence à la couleur bleue des raies du spectre du césium qui ont permis de le mettre en évidence

[3Du grec “lepis”, écaille allusion faite à sa structure écailleuse. La formule chimique de la lépidolite ne comporte ni césium Cs ni rubidium Rb mais certaines variétés - et ce sont probablement celles-ci qui ont été analysées par Bunsen et Kirchhoff - sont enrichies en césium Cs ou enrichies en rubidium

[4D’ailleurs, la flamme du brûleur de votre gazinière domestique doit être de couleur bleue pour que le rendement de la réaction de combustion soit le plus grand possible et donc minimiser votre consommation d’énergie. Si tel n’est pas le cas (flamme orangée dansante, durée pour faire bouillir de l’eau trop longue et/ou noircissement du cul de la casserole), le réglage du débit d’air de l’injecteur doit être réalisé par un professionnel.

[5De plus, la ventilation d’une pièce comportant un appareil de chauffage à gaz doit être pensée de manière à pouvoir évacuer les gaz de combustion quels qu’ils soient.

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