Réactions chimioluminescentes

Voici plusieurs réactions chimioluminescentes (ou chimiluminescentes), c'est-à-dire permettant de faire de la lumière, comme dans l'expériences de la lumière liquide, ou les mains lumineuses.

Dans ce qui suit, l'abréviation "qsp" signifie "quantité suffisante pour", ce qui veut dire "compléter avec le produit ... de manière à obtenir le volume ...". Les dosages peuvent différer des recettes données dans d'autres expériences ou autres sites.

1 Précautions

Outre les précautions en chimie qui sont d'usage, cette expérience comporte les attentions suivantes :

• Certaines produits utilisés ici présentent des dangers mais ne sont cependant pas vendus dans le commerce grand public.

2 À base de phosphore

Voir : Le phosphore

3 À base de luminol, en milieu fortement basique

En milieu franchement basique, la réaction est rapide, l'intensité lumineuse est donc forte et de courte durée (quelques secondes).

• Solution A : 1 g luminol + 10 g NaOH + eau distillée qsp 500 mL
• Solution B : 15 g ferricyanure de potassium K₃[Fe(CN)₆] + 0,5 mL eau oxygénée à 30% (~ 110 volumes) + eau distillée qsp 500 mL
• Faire l'obscurité. Mélanger autant de A que de B dans un récipient et observer. Ajouter de la solution B jusqu'à ce que la lumière n'apparaisse plus.
• On peut éventuellement ajouter un colorant fluorescent (fluorescéine ou fluorescéinate de sodium , rhodamine B , éosine Y, mercurescéine) pour modifier la couleur.

4 À base de luminol, en milieu légèrement basique

En milieu légèrement basique (pH ~ 9,5), la réaction est lente, l'intensité lumineuse est donc plus faible mais de longue durée (plusieurs minutes).

• Solution A : 0,5 g luminol + 2 g carbonate de sodium Na₂CO₃ + 12 g hydrogénocarbonate de sodium NaHCO₃ + eau distillée qsp 500 mL
• Solution B : 5 g ferricyanure de potassium K₃[Fe(CN)₆] + 1 mL eau oxygénée à 30% (~ 110 volumes) + eau distillée qsp 500 mL
• Faire l'obscurité. Mélanger autant de A que de B dans un récipient et observer. Ajouter de la solution B jusqu'à ce que la lumière n'apparaisse plus.
• On peut éventuellement ajouter un colorant fluorescent (fluorescéine ou fluorescéinate de sodium , rhodamine B , éosine Y, mercurescéine) pour modifier la couleur.

Une belle variante consiste à laisser tomber des gouttes d'une solution d'hydroxyde de sodium NaOH dans le mélange pour accélérer la réaction localement : les gouttes deviennent alors très lumineuses. En présence d'un colorant fluorescent on peut observer de magnifiques couleurs sur le trajet de la goutte.

5 À base de luminol, bicolore

• Dans 40 mL d'eau distillée, dissoudre 0,8 g de NaOH + 0,005 g de luminol + 25,0 g de carbonate de potassium K₂CO₃ + 1,0 g de pyrogallol . La solution est marron une fois que tout est dissout.
• Ajouter ensuite 10 mL d'une solution à 40% de formaldéhyde (formol) . Transvaser le tout dans un bécher de 1 L.
• Faire l'obscurité. Ajouter 40 mL d'eau oxygénée à 30% .
• La solution émet une lumière rouge pendant 10 secondes, puis une lumière bleue pendant 10 secondes. La solution devient chaude et effervescente.

6 À base de chlorure d'oxalyle

• Solution A : dans un récipient, mettre 50 mL de dichlorométhane CH₂Cl₂ + 2 mL de chlorure d'oxalyle .
• Solution B : dans un récipient de 125 mL environ, mettre 0,005 g d'un colorant de la liste ci-dessous + 25 mL de dichlorométhane + 4 mL d'eau oxygénée à 3% (donc diluée).
• Faire l'obscurité. Verser 2 mL de solution A dans la solution B en mélangeant. Le temps de lumière dépend de la température mais aussi du colorant utilisé.

Colorants	couleur	durée moyenne
rubrène	jaune	2 min
9,10-diphénylanthracène	bleu	3 min
rhodamine 6G	orange	30 s
13,13'-dibenzanthronyle	vert à jaune à rouge	40 s

7 À base d'oxalate de phényle (recette des Cyalumes^®)

• Solution A :
  • Préparer 100 mL d'une solution à 0,01 mol/L d'oxalate de bis(2,4-dinitrophényle) (DNPO) ou d'oxalate de bis(2,4,6-trichlorophényle) (TCPO) (en fonction du temps souhaité, voir plus bas) dans du phtalate de diméthyle (c'est le solvant).
  • Y ajouter 0,1 g d'un colorant parmi la liste ci-dessous. (La solution de TCPO peut se conserver indéfiniment alors que celle de DNPO se conserve mal).
• Solution B :
  • Mélanger 8 mL d'eau oxygénée à 30% + 80 mL de phtalate de diméthyle + 20 mL de tertiobutanol (ne pas chauffer).
  • On peut éventuellement y ajouter 0,02 g de salicylate de sodium pour intensifier la lumière.
• Les solutions A et B doivent être conservées à l'abri de la lumière.
• Faire l'obscurité. Mélanger autant de A que de B dans un récipient et mélanger.
• Le temps de lumière dépend de la température mais aussi du colorant utilisé.

Colorants	couleur	durée moyenne
9,10-diphénylanthracène	bleu	12 min si DNPO, > 3h si TCPO
Rhodamine 6G	rouge	2 min si DNPO, 30 min si TCPO
9,10-bis(phényléthinyl)anthracène	vert	15 min si DNPO, > 3h si TCPO

8 À base de luminol et de sang

• Mélanger les poudres suivantes : 0,2 g luminol + 4,0 g borate de sodium NaBO₃,4H₂O + 30 g phosphate de sodium Na₃PO₄,12H₂O + 30 g sucre glace (saccharose broyé) + 4,0 g hémoglobine séchée (demander du sang de boeuf dans une boucherie par exemple).
• Bien homogénéiser ce mélange dans un mortier pour obtenir une poudre fine.
• Mettre 4 g de cette mixture dans une bouteille de 1 L avec 0,5 L d'eau distillée. Bien secouer.
• Faire l'obscurité. Verser cette solution dans un fin tube, 1 m au-dessus d'un récipient. Une lumière bleue est observée.

9 À base de dichlore gazeux

Avertissement : le dichlore Cl₂ est mortel s'il est respiré en grande quantité. À faible concentration dans l'air, il est très irritant et toxique. Travailler sous une hotte aspirante ou a l'extérieur, dans un endroit dégagé.

• Dans un bécher de 250 mL, diluer 20 g d'hydroxyde de sodium NaOH dans 140 mL d'eau et le placer dans un bain de glace.
• Dans un bécher de 50 mL, placer 30 mL d'eau oxygénée H₂O₂ à 30% (110 volumes) et le placer dans un bain de glace.
• Une fois les solutions bien refroidies, les mélanger dans un récipient plus grand et faire l'obscurité dans la pièce.
• Préparer un appareil à génération de dichlore  :
  • Dans un petit flacon muni d'un bouchon et d'un tube flexible, introduire un peu d'eau de Javel diluée et un peu d'acide chlorhydrique dilué.
  • Ou bien, un peu d'acide chlorhydrique et de permanganate de potassium .

Le dichlore se dégage par le tube flexible.

• Faire barboter le dichlore dans la solution précédente et observer la lumière rouge. Ne pas respirer les vapeurs.

Cette réaction produit du dioxygène dans un état électronique singulet, lequel est un état excité (instable), qui se désexcite en dioxygène triplet en émettant des photons de longueur d'onde 634 nm (rouge) :

¹O₂^*(g) → ³O₂(g) + photon

En milieu basique, le dichlore se transforme en ions hypochlorite ClO^– et en chlorure Cl^– :

Cl₂(g) + 2 OH^–(aq) → OCl^–(aq) + Cl^–(aq) + H₂O

L'ion hypochlorite réagit probablement avec le peroxyde d'hydrogène pour former l'ion chloroperoxyde :

H₂O₂ + OCl^–(aq) → ClOO^–(aq) + H₂O

lequel se dissocie en chlorure et en dioxygène singulet :

ClOO^–(aq) → ¹O₂^*(g) + Cl^–

Cette réaction n'a lieu qu'en dessous de 4°C. L'état singulet du dioxygène n'est pas le plus stable. Mais la désexcitation vers l'état fondamental triplet n'est pas autorisé en raison de la non-conservation du spin. Cependant, l'environnement des molécules est tel que cette désexcitation est possible, mais relativement lente.

En fin d'expérience, il est conseillé de diluer les solutions dans une grande quantité d'eau et neutraliser par de l'acide sulfurique dilué.

10 Références

• Chemical curiosities de H. W. Roesky et K. Möckel, ISBN 3-527-29414-7
• Chemical demonstrations, vol. 1, pp. 125-132, Bassam Z. Shakhashiri, ISBN 0-299-08890-1