Mais ce principe simple a une application importante : brûler un composé inconnu est un excellent moyen de tester la présence d'ions métalliques. Dans cet article, nous allons explorer comment nous pouvons utiliser ce que l'on appelle les tests de flamme pour identifier des ions métalliques inconnus. Nous examinerons également le test de l'hydroxyde de sodium et les tests pour d'autres types d'ions.
- Cet article est consacré aux tests pour les ions métalliques en chimie.
- Nous commencerons par définir l'ion métallique avant d'examiner leurs types.
- Nous découvrirons ensuite deux façons de tester les ions métalliques : les tests à la flamme et le test à l'hydroxyde de sodium.
- Il s'agira d'explorer leurs méthodes et leurs résultats. Nous ferons également une plongée en profondeur dans la chimie qui se cache derrière les tests à la flamme.
- Ensuite, nous te présenterons les tests pour les ions négatifs.
- Enfin, nous résumerons certains des avantages et des inconvénients des tests pour les ions métalliques.
Ion métallique : définition et types
Les feux d'artifice contiennent donc des métaux, et ces métaux sont responsables de leurs couleurs vives. Par exemple, les feux d'artifice rouges contiennent souvent du lithium. Cependant, le lithium contenu dans les feux d'artifice ne se présente pas sous la forme d'atomes de lithium. Il se présente plutôt sous la forme d'ions lithium, un type d'ion métallique. Examinons de plus près les ions métalliques.
Définition des ions métalliques
Tout d'abord, qu'est-ce qu'un ion métallique ?
Lesions métalliques sont des particules chargées positivement formées lorsqu'un atome de métal perd un ou plusieurs électrons.
Par exemple, les atomes de lithium ont 3 protons et 3 électrons. Ils ont une charge neutre et nous les représentons à l'aide des lettres Li. Les ions calcium, en revanche, ont 3 protons mais seulement 2 électrons. Ils ont une charge positive de +1. Nous les représentons par les lettres Li+.
Rappelle-toi que les électrons sont négatifs. Cela signifie que lorsqu'un atome perd des électrons, il devient chargé positivement. Nous appelons les ions chargés positivement cations. Remarque que tous les ions métalliques sont positifs, de même que tous les cations, mais tous les cations ne sont pas des ions métalliques !
Types d'ions métalliques
Il existe de nombreux types d'ions métalliques. Voici quelques-uns des plus courants que tu rencontreras dans le cadre de tes études au GCSE. Nous avons inclus des informations sur leurs charges, leurs structures électroniques et le nombre d'électrons qu'ils ont perdus par rapport à leur atome neutre :
| Nom | Formule | Charge | Structure électronique | Nombre d'électrons perdus |
| Lithium | Li+ | +1 | 2, 0 | 1 |
| Sodium | Na+ | +1 | 2, 8, 0 | 1 |
| Potassium | K+ | +1 | 2, 8, 8, 0 | 1 |
| Magnésium | Mg2+ | +2 | 2, 8, 0 | 2 |
| Calcium | Ca2+ | +2 | 2, 8, 8, 0 | 2 |
| Aluminium | Al3+ | +3 | 2, 8, 0 | 3 |
| Cuivre(II) | Cu2+ +3 | +2 | * | 2 |
| Fer(II) | Fe2+ | +2 | * | 2 |
| Fer(III) | Fe3+ | +3 | * | 3 |
Le cuivre et le fer sont tous deux des métaux de transition . Ils ont donc des structures électroniques un peu plus compliquées. Tu en sauras plus sur l'arrangement des électrons dans les métaux de transition si tu étudies la chimie au baccalauréat ; l'article Configuration des électrons devrait t'aider. Mais pour te rafraîchir la mémoire sur les bases de l'arrangement des électrons dans les ions et les atomes, visite Structures électroniques.
Les ions métalliques et les composés ioniques
Les ions métalliques ne se trouvent généralement pas seuls. Ils se lient plutôt à des ions négatifs pour former un composé ionique. Par exemple, les ions lithium des feux d'artifice rouges sont souvent liés à des ions carbonate (CO3-). Cependant, nous pouvons séparer les ions des composés ioniques en les dissolvant dans l'eau. Cela forme une solution aqueuse.
Tests pour les ions métalliques positifs
Maintenant que nous savons ce que sont les ions métalliques, nous pouvons voir comment les tester. Il existe deux tests principaux pour les ions métalliques positifs que tu dois connaître pour ton examen GCSE :
- Les tests à la flamme.
- Le test à l'hydroxyde de sodium.
Nous allons d'abord nous pencher sur lestests àla flamme. Certains ions métalliques brûlent avec des couleurs vives lorsque tu les tiens dans la flamme d'un bec Bunsen, et c'est une façon de les identifier. Tu découvriras la méthode de cette expérience et les résultats auxquels tu dois t'attendre.
Nous te présenterons ensuite le test de l'hydroxyde de sodium. Certains ions métalliques forment un précipité d'hydroxyde lorsqu'ils sont mélangés à de l'hydroxyde de sodium (NaOH). Le précipité peut également être utilisé pour identifier l'ion métallique inconnu. Une fois de plus, tu découvriras la méthode, à côté des résultats.
Test pour les ions métalliques : test de la flamme
Si tu plonges une tige métallique dans une solution contenant un ion métallique, la tige se couvre de l'ion. Tu peux alors essayer de tenir l'extrémité humide de la tige dans la flamme d'un bec Bunsen. Certains ions métalliques provoquent un changement de couleur de la flamme. Par conséquent, ces tests dits de flamme sont un moyen pratique de tester les ions métalliques.
Quelle couleur aimerais-tu voir - peut-être un rouge brillant, ou peut-être un jaune ensoleillé ? Si ta solution contient un mélange de différents ions métalliques, tu pourrais même produire un arc-en-ciel de teintes ! Cependant, il est plus probable que la couleur d'un ion masque les couleurs des autres. Cela signifie que les tests à la flamme ne sont pas la meilleure façon d'analyser les mélanges.
Méthode
Voici comment effectuer des tests de flamme pour identifier des ions métalliques inconnus:
- Plonge une boucle de fil métallique dans de l'acide chlorhydrique concentré (HCl), puis maintiens-la dans la flamme bleue d'un bec Bunsen. Cela permet de nettoyer la boucle.
- Plonge la boucle dans l'acide concentré une seconde fois avant de la plonger dans une solution contenant un ion métallique inconnu. Tu peux aussi plonger la boucle dans un solide ionique en poudre.
- Tiens à nouveau la boucle dans la flamme du bec Bunsen. Note l'apparence de la flamme. Reste-t-elle bleue ou change-t-elle de couleur ?
- Continue à maintenir la boucle dans la flamme jusqu'à ce que la flamme brûle clairement. Ensuite, répète le processus avec une solution d'ions métalliques ou un solide ionique différent. N'oublie pas de nettoyer la boucle entre chaque test, comme tu l'as fait à l'étape 1.
Fig. 1 : Schéma montrant le processus d'un test à la flamme pour les ions métalliques.
Idéalement, la boucle du fil doit être en platine car ce métal n'affecte pas la couleur de la flamme. De plus, il est stable à haute température. Cependant, le platine est généralement trop cher pour être utilisé dans les écoles, c'est pourquoi le nichrome (un mélange de nickel et de chrome) est préféré.
Résultats
Tu devrais constater que certains ions métalliques brûlent avec des couleurs vives. Cependant, certains n ' ont aucun effet visible sur la flamme. Avec un peu de chance, tu obtiendras les résultats suivants :
| Ion métallique | Couleur de la flamme |
| Lithium (Li+) | Cramoisi |
| Sodium (Na+) | Jaune |
| Potassium (K+) | Lilas |
| Calcium (Ca2+) | Rouge orangé |
| Cuivre (Cu+) | Vert |
Voici un guide visuel des couleurs de flamme produites lors de la combustion des métaux du tableau ci-dessus :
Fig. 2 : Les couleurs de flamme produites par divers ions métalliques lors de tests de flamme...
La chimie derrière les tests de flamme
Si tu as lu l'article Structure atomique et tableau périodique, tu sais que tous les atomes et (presque tous) les ions contiennent des électrons, qui se trouvent dans des orbites autour du noyau. Dans Structures électroniques, tu approfondis ces connaissances en apprenant que les différentes enveloppes d'électrons ont des niveaux d'énergie différents. Les électrons les plus proches du noyau ont une énergie plus faible, tandis que les électrons les plus éloignés du noyau ont une énergie plus élevée. Ces différents niveaux d'énergie sont responsables des couleurs brillantes que tu vois dans les tests de flamme.
Lorsque tu brûles certains métaux ou ions métalliques, certains de leurs électrons passent d'une enveloppe à une autre. La deuxième enveloppe a un niveau d'énergie plus élevé.
Lorsqu'un électron passe à un niveau d'énergie supérieur, on dit qu'il est excité. Mais les électrons excités rendent le métal instable, et l'électron retourne donc rapidement à sa coquille de départ. En retombant, il libère de l'énergie sous forme de lumière visible. La couleur de la lumière est liée à la différence entre les niveaux d'énergie des deux coquilles. Comme les métaux ont des structures électroniques différentes, leurs électrons sautent dans des coquilles différentes, ce qui signifie que des métaux différents brûlent avec des flammes de couleurs différentes.
Test pour les ions métalliques : le test de l'hydroxyde de sodium et les précipités d'hydroxyde
Nous avons fini d'examiner les tests de flamme - c'est la première façon d'identifier les ions métalliques couverts. Cependant, il existe un test alternatif courant pour les ions métalliques. Il est connu sous le nom de test à l'hydroxyde de sodium et fonctionne en formant un précipité d'hydroxyde de métal. Tu vois, certains précipités d'hydroxyde de métal sont complètement insolubles. D'autres sont solubles, mais seulement dans un excès d'hydroxyde de sodium. De plus, certains sont blancs, tandis que d'autres sont colorés. Le précipité d'hydroxyde nous aide à identifier l'ion métallique.
Méthode
Pour effectuer le test de l'hydroxyde de sodium :
- Verse environ 10 cm3 d'une solution de cation métallique dans un tube à essai.
- Ajoute quelques gouttes de solution d'hydroxyde de sodium (NaOH) dans le tube à essai à l'aide d'une pipette.
- Observe les changements éventuels, en notant les résultats.
- Ajoute progressivement de l'hydroxyde de sodium jusqu'à ce qu'il soit en excès, en notant à nouveau toute observation.
- Répète l'expérience avec différentes solutions de cations métalliques.
Résultats
Comme pour le test de la flamme, tu devrais constater que certains ions métalliques donnent un résultat évident dans cette expérience. En revanche, d'autres ne produisent aucun changement visible. Voici les résultats auxquels tu dois t'attendre lorsque tu effectues le test de l'hydroxyde de sodium pour les ions métalliques :
| Ion présent | Observation | |
| Petit volume de NaOH | Excès de NaOH | |
| Ca2+ | Précipité blanc | Insoluble |
| Mg2+ (en anglais) | Précipité blanc | Insoluble |
| Al3+ (en anglais) | Précipité blanc | Le précipité se dissout |
| Cu2+ (en anglais) | Précipité bleu | Insoluble |
| Fe2+ (Fe2+) | Précipité vert qui devient lentement brun (brun "sale") | Insoluble |
| Fe3+ Insoluble | Précipité rouge-brun | Insoluble |
Nous abordons le test de l'hydroxyde de sodium de façon beaucoup plus détaillée dans un autre article. Tu y découvriras la chimie qui sous-tend le test et apprendras à écrire des équations chimiques équilibrées pour les réactions qui ont lieu. Nous te donnons également un organigramme pratique qui résume les résultats. Rends-toi sur le site Test de l'hydroxyde de sodium pour en savoir plus.
Test pour les ions négatifs
Les tests à la flamme et le test à l'hydroxyde de sodium permettent tous deux d'identifier les cations métalliques positifs. Cependant, ils ne permettent pas de tester les ions négatifs, connus sous le nom d'anions. Nous avons donc recours à d'autres tests :
Nous recherchons les ions carbonate (CO32-) à l'aide de l'acide chlorhydrique (HCl).
Nous identifions les ions sulfate (SO42-) en utilisant de l' acide chlorhydrique (HCl) et une solution de chlorure de baryum (BaCl2).
Enfin, nous détectons les ions halogénures à l'aide de l'acide nitrique (HNO3) et de la solution de nitrate d'argent (AgNO3).
Visite le site Test pour les anions pour obtenir toutes les informations nécessaires sur ces trois tests, y compris les méthodes, les résultats et l'explication chimique.
Test pour les ions métalliques : le pour et le contre
Pour finir, examinons les avantages et les inconvénients des tests pour les ions métalliques. Tu as peut-être déjà pensé à certains avantages et inconvénients des tests en lisant cet article. Si ce n'est pas le cas, essaie d'en trouver maintenant - la critique des processus et des techniques chimiques est une compétence utile. Par exemple, les tests à la flamme fonctionnent-ils pour tous les métaux ? Sont-ils faciles à réaliser ou nécessitent-ils un équipement spécialisé ? En outre, les résultats te renseignent-ils sur la quantité d' ions métalliques présents ?
Les tests à la flamme et le test à l'hydroxyde de sodium sont des exemples de tests chimiques simples. Ils ne nécessitent pas d'équipement spécialisé et sont peu coûteux et faciles à réaliser dans n'importe quel laboratoire. Cependant, ils ont leurs inconvénients :
- Les tests chimiques pour les ions métalliques ne sont pas aussi exacts, sensibles ou précis que les méthodes instrumentales d'analyse chimique, telles que la spectroscopie d'émission de flamme. Ils sont également beaucoup plus lents.
- Les tests chimiques ne te renseignent pas non plus sur la concentration ou la quantité d'ions métalliques présents. Par conséquent, il est préférable d'utiliser ces tests de manière qualitative et non quantitative.
- En outre, les tests à la flamme et le test à l'hydroxyde de sodium ne peuvent pas être utilisés avec des échantillons à l'état de traces.
- Ils peuvent aussi tous deux donner des résultats similaires pour plusieurs cations différents. De plus, tous les métaux ne donnent pas de changements visibles lors de ces deux tests. Cela signifie que tu dois effectuer d' autres tests pour déterminer leur identité .
- Par exemple, le lithium n'est pas le seul métal qui brûle avec une flamme rouge. Des métaux comme le strontium le font aussi, et il peut être délicat de distinguer les différentes teintes.
- De même, dans le test de l'hydroxyde de sodium, les ions Ca2+, Mg2+ et Al3+ produisent tous un précipité blanc.
- Enfin, elles ne peuvent pas être utilisées pour les mélanges d'ions métalliques.
Plus haut, nous avons mentionné les méthodes instrumentales d'analyse chimique. Ces techniques sont beaucoup plus sensibles et précises que les tests chimiques de base, mais elles nécessitent souvent des machines coûteuses et une formation spécialisée. Tu trouveras toutes les informations nécessaires dans Analyse instrumentale.
Test pour les ions métalliques - Principaux enseignements
- Lesions métalliques sont des particules chargées positivement formées lorsqu'un atome de métal perd un ou plusieurs électrons.
- Les exemples d'ions métalliques comprennent Li+, K+, Mg2+ et Al3+. Parce qu'ils sont chargés positivement, tous les ions métalliques sont des cations.
- Nous pouvons rechercher les ions métalliques positifs à l'aide de tests à la flamme et du test à l'hydroxyde de sodium:
- L'ajout de certains ions métalliques à une flamme lui donne une couleur différente.
- L'ajout d'hydroxyde de sodium à certains ions métalliques forme un précipité solide d'hydroxyde. Les précipités diffèrent par leur couleur et leur solubilité.
- Comme tous les tests chimiques, les tests pour les ions métalliques sont bon marché et simples à réaliser. Cependant, ils sont moins précis et moins sensibles que les méthodes instrumentales d'analyse chimique.
Références
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D, "La chimie des couleurs des feux d'artifice". ThoughtCo (16/02/2021)
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