Pourquoi les feux d'artifice ont-ils différentes couleurs ? C'est les Électrons

Pourquoi les feux d'artifice ont-ils différentes couleurs ? Parce que chaque couleur dans un feu d'artifice provient d'un métal. Le strontium donne le rouge, le sodium le jaune, le baryum le vert, le cuivre le bleu-vert. La chaleur de l'explosion donne aux électrons de ces atomes métalliques de l'énergie supplémentaire. Quand ils la perdent à nouveau, ils la restituent sous forme de lumière, et la couleur exacte dépend de la distance parcourue par chaque électron lors de sa chute. Chaque élément a sa propre série de chutes, donc chacun a sa propre couleur.

C'est la réponse courte. La réponse plus longue est l'une des idées les plus importantes en chimie, donc il vaut la peine de ralentir.

Les électrons vivent sur une échelle, pas sur une rampe

Vous avez probablement dessiné un atome avec des électrons disposés en cercles réguliers autour du noyau. Ces cercles représentent les niveaux d'énergie des électrons (ou couches), et le fait clé à leur sujet est qu'un électron ne peut se situer que sur un niveau, jamais entre deux. Pensez à une échelle : vous pouvez vous tenir sur la troisième ou la quatrième échelonne, mais pas dans l'espace entre elles.

Normalement, chaque électron est aussi bas que possible sur l'échelle. C'est l'état fondamental de l'atome. Donnez à un électron exactement la bonne quantité d'énergie et il saute vers une échelon supérieur. Il est maintenant excité.

Il n'y reste pas longtemps. Dans une fraction infime de seconde, il retombe, et l'énergie qu'il avait gagnée sort sous forme d'un packet de lumière: un photon.

Pourquoi une chute donne une couleur exacte

L'énergie du photon est exactement le gap d'énergie entre les deux échelons. La couleur de la lumière est définie par son énergie:

• une grosse chute donne un photon de haute énergie: bleu ou violet, ou même ultraviolet que vous ne pouvez pas voir;
• une petite chute donne un photon de basse énergie: orange ou rouge, ou infrarouge.

Dans le sodium, la chute la plus courante libère environ 2,1 électron-volts. C'est de la lumière avec une longueur d'onde de 589 nanomètres: le jaune-orange que vous voyez dans les vieux lampadaires, et l'éclat jaune quand l'eau salée bout et déborde sur une plaque de gaz.

Parce que les échelons sont à des places fixes, les chutes sont fixes aussi. Le sodium donnera toujours 589 nm; il ne peut pas donner 600 nm, car il n'y a pas de paire d'échelons à 2,07 eV d'écart dans un atome de sodium.

Pourquoi chaque métal est différent

L'espacement de l'échelle dépend de l'atome : combien de protons attirent les électrons, et combien d'autres électrons s'interposent. Ainsi, chaque élément se retrouve avec son propre schéma de lacunes et son propre ensemble de couleurs.

Les fabricants de feux d'artifice placent les bons sels métalliques dans chaque obus. Le bleu est tristement célèbre pour être la couleur la plus difficile à obtenir, car les composés de cuivre ont tendance à se décomposer aux températures qui rendent les autres couleurs vives.

Tests de flamme : la plus ancienne carte d'identité de la chimie

Les chimistes l'utilisaient bien avant que les feux d'artifice ne soient compris. Trempez une boucle de fil propre dans un sel, tenez-la dans une flamme de Bunsen et regardez la couleur. Jaune signifie sodium ; lilas signifie potassium ; rouge brique signifie calcium. Les couleurs du test à la flamme sont les mêmes que celles du tableau ci-dessus.

Faites passer la lumière à travers un spectroscope (un prisme ou un réseau de diffraction) et vous verrez que la « couleur unique » est en réalité quelques lignes nettes et brillantes sur un fond sombre. C'est un spectre d'émission, et il fonctionne comme un code-barres. L'hélium a été découvert de cette façon : en 1868, les astronomes ont observé une ligne jaune dans la lumière du soleil qui ne correspondait à aucun élément connu sur Terre.

Que se passe-t-il si vous donnez trop d'énergie à l'électron ?

Si un électron reçoit plus d'énergie qu'il n'en faut pour atteindre le haut de l'échelle, il ne s'arrête pas sur un échelon. Il quitte complètement l'atome. C'est l'ionisation, et l'énergie minimale requise est l'énergie d'ionisation. Pour un atome d'hydrogène dans son état fondamental, c'est 13,6 eV. Ce qui reste est un ion positif.

Cela relie les feux d'artifice à quelque chose que vous rencontrerez encore et encore en chimie : pourquoi le sodium forme facilement Na⁺, ce qui est le début de la liaison ionique. Son électron externe se trouve seul sur un barreau haut, loin du noyau, et n'a besoin que d'environ 5 eV pour s'échapper. Le suivant en a besoin d'environ neuf fois plus.

Questions fréquemment posées

Comment les électrons émettent-ils de la lumière ?

Un électron émet de la lumière lorsqu'il passe d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau inférieur. La chaleur ou l'électricité le soulève d'abord au niveau supérieur. Lorsqu'il retombe, l'énergie qu'il perd sort sous forme d'un photon, et l'énergie du photon, et donc sa couleur, est égale à l'écart entre les deux niveaux. Les écarts plus grands donnent une lumière plus bleue ; les écarts plus petits donnent une lumière plus rouge.

Quel métal produit des feux d'artifice bleus ?

Le cuivre, généralement sous forme de chlorure de cuivre. Le bleu est la couleur de feu d'artifice la plus difficile à obtenir, car les composés de cuivre se décomposent aux températures très élevées qui rendent les autres couleurs vives. Si l'obus brûle trop fort, le bleu vire au blanc, les fabricants de feux d'artifice utilisent donc des mélanges soigneusement équilibrés pour maintenir la flamme juste assez fraîche.

À quoi sert un test de flamme ?

Un test de flamme permet d'identifier l'ion métallique présent dans un composé. Vous trempez une boucle de fil propre dans l'échantillon, vous la tenez dans la flamme chaude d'un bec Bunsen et notez la couleur : jaune-orange pour le sodium, lilas pour le potassium, rouge brique pour le calcium, vert pour le baryum, bleu-vert pour le cuivre. Cela fonctionne parce que les électrons de chaque métal ont leurs propres écarts d'énergie. Vous pouvez compter vous-même les couches d'un atome dans le Constructeur d'atomes.

Voyez-le par vous-même

Dans le Laboratoire d'électrons, vous pouvez tirer des photons sur un atome d'hydrogène et observer l'électron sauter, mais uniquement lorsque l'énergie correspond exactement à un écart. Activez « chauffer le gaz » et ses raies construisent ligne par ligne le vrai spectre de l'hydrogène : rouge à 656 nm, puis cyan et violet. Le mode test de flamme vous permet d'identifier les métaux mystères par leur couleur et leurs raies, et le mode d'ionisation montre les grands sauts qui révèlent les couches d'un atome.