Un gaz peut-il être visible ?

Cette question me taraude et me semble d'autant plus importante qu'elle paraît s'adresser à un niveau débutant en sciences physiques! Et pour cause! C'est en faisant mon cours de cinquième que je me suis posé la question...

A cette question, j'ai d'abord répondu par l'affirmative, en prenant comme exemple des gaz comme le dioxyde d'azote, le dibrome ou le diiode. De couleur orange pour les deux premiers et violette pour le dernier. Mais sont-ce vraiment des gaz que nous voyons? Ou ne serait-ce pas plutôt des aérosols (un peu comme le brouillard), dans lequel les espèces chimiques sus-citées seraient à l'état liquide, en suspension dans un mélange d'air et de vapeur formée de ces mêmes espèces chimiques? Un gaz serait-il invisible par essence à cause de sa trop faible densité?

Diiode :

Dioxyde d'azote :

Dibrome :

Le dioxyde d'azote et le dichlore sont colorés et gazeux à 25°C et 1 atm. Pour les composés volatil en phase condensée, il y a une pression partielle de vapeur saturante donc naturellement l'air au-dessus du composé contient une partie du composé volatil. Cela me semble être crédible pour la photo du dibrome que tu as postée. La condensation (qui donne des aérosols) aura lieu si la pression partielle du composé volatil dépasse la pression partielle saturante, ce qui n'est possible qu'en présence d'un différentiel de température (ce qui me semble probable pour ta photo du diiode).

Plus d'exemples ici: https://en.wikipedia.org/wiki/Color_of_chemicals#Gases. Tous sont gazeux à 25°C et 1 atm sauf Br₂ et I₂.

Donc, si on en croit wikipédia, tous les gaz cités sont visibles et colorés... Par contre Mathador, tu penses que le diiode qu'on voit sur la photo que j'ai mise n'est pas gazeux sur les parois, car il se serait recondensé à cause de la trop grande pression de vapeur pour la température qui règne sur la paroi interne?

Donc les gaz ne sont pas forcément invisibles? Débat clos? Tout le monde est d'accord avec ça? Un complément d'explication? Car je ne suis pas pleinement satisfait...

• Le dioxyde d'azote est visible : gaz roux (réaction cuivre + acide nitrique par exemple)
  

• La vapeur d'eau est invisible ... un nuage c'est de l'eau à l'état solide ou liquide.
  

Certains le sont, d'autres non.

fullmetalchemist a écrit:Par contre Mathador, tu penses que le diiode qu'on voit sur la photo que j'ai mise n'est pas gazeux sur les parois, car il se serait recondensé à cause de la trop grande pression de vapeur pour la température qui règne sur la paroi interne?

Je pense qu'il est tout de même gazeux, mais c'est moins évident que dans les autres photos. Ce qui me fait penser qu'il est à l'état gazeux est que l'état liquide est peu prononcé (il existe aux CNTP, mais le solide est déjà fortement volatil), et que le solide n'est pas violet mais gris.
Une photo de diiode à température ambiante:

On voit que la fraction molaire de diiode en phase gazeuse est beaucoup plus faible que dans la photo d'origine.

fullmetalchemist a écrit:Donc les gaz ne sont pas forcément invisibles? Débat clos? Tout le monde est d'accord avec ça? Un complément d'explication? Car je ne suis pas pleinement satisfait...

Le dichlore Cl₂ est coloré et gazeux aux CNTP (bon courage pour en liquéfier sans équipement de labo…). Expérimentalement, je pense qu'on peut assez facilement le vérifier en le faisant passer à travers une membrane poreuse (qui absorberait un liquide en suspension), mais il n'est bien sûr pas question de faire cette expérience en classe au collège.

des éléments de réponse concernant la couleur du diiode gazeux en partie B de ce document qui est un sujet d'ENS.

https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=25&ved=2ahUKEwjwhvOd0YXfAhURy4UKHbXDAx4QFjAYegQICxAC&url=http%3A%2F%2Fconcours.ens-paris-saclay.fr%2Fservlet%2Fcom.univ.collaboratif.utils.LectureFichiergw%3FID_FICHE%3D20334%26OBJET%3D0017%26ID_FICHIER%3D717463&usg=AOvVaw16U8KJHHwgKdoiZr_Ovsb0

che35 a écrit:des éléments de réponse concernant la couleur du diiode gazeux en partie B de ce document qui est un sujet d'ENS.

https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=25&ved=2ahUKEwjwhvOd0YXfAhURy4UKHbXDAx4QFjAYegQICxAC&url=http%3A%2F%2Fconcours.ens-paris-saclay.fr%2Fservlet%2Fcom.univ.collaboratif.utils.LectureFichiergw%3FID_FICHE%3D20334%26OBJET%3D0017%26ID_FICHIER%3D717463&usg=AOvVaw16U8KJHHwgKdoiZr_Ovsb0

Si tu as le corrigé, ça m'intéresse! Que je le fasse!

D'ailleurs, dans le sujet, il y a un spectre d'absorption du diiode gazeux. Il a une allure particulière... Et un gaz, ne devrait-il pas donner des raies d'absorption? Car là on a, bien qu'il y ait des fluctuations marquées, une continuité dans l'absorption (ça ne retombe pas brutalement à zéro)...

fullmetalchemist a écrit:Et un gaz, ne devrait-il pas donner des raies d'absorption?

Il me semble que l'agitation thermique étale le spectre par effet Doppler non ?

Mathador a écrit:

fullmetalchemist a écrit:Et un gaz, ne devrait-il pas donner des raies d'absorption?

Il me semble que l'agitation thermique étale le spectre par effet Doppler non ?

Wow! Jamais entendu parlé de ça! C'est très stylé comme explication mais je n'y crois pas trop! L'agitation thermique est à mon sens un phénomène sans direction privilégiée. Or l'effet Doppler-Fizeau a lieu quand il y a un rapprochement ou un éloignement des positions relatives de l'émetteur et/ou du récepteur d'une onde... Enfin, certes, ça n'expliquerait pas l'étalement, mais juste un décalage du spectre de raies! Après, en considérant que certaines molécules s'éloignent et que d'autres se rapprochent à un instant t... Mais quand même! Cela empêcherait une bonne absorption puisque celle-ci ne se fait qu'à des longueurs d'onde (et donc à des fréquences) bien précises. En revanche, l'agitation moléculaire (et donc la température) doit être un facteur qui fait que le spectre passe d'un spectre de raies à un spectre plus étalé, c'est possible oui (mais je ne pense pas que l'effet Doppler ait quelque chose à voir là dedans)...

Tu as une formation en physique? En chimie?

Je me souvenais d'avoir lu ça dans un livre, mais en faisant une recherche sur le net j'ai vu qu'il y avait une page complète sur Wikipédia là-dessus (en anglais, la version française est beaucoup moins détaillée). Par contre, je viens de relire le sujet pour voir le spectre dont il était question et cela ne suffit pas à expliquer un tel spectre.

fullmetalchemist a écrit:Tu as une formation en physique? En chimie?

Pour ce qui est de la physique j'ai fait une MP*, et pour la chimie une bonne part d'autodidacte.

Pour qu'une matière soit visible, il faut qu'il y ait interaction entre le rayon incident et les atomes constitutifs de la matière. Cet interaction se faisant sur des temps très court, on doit pouvoir considerer que les atomes sont immobiles à cette échelle de temps, donc pas d'effet doppler. Idem pour l'agitation thermique, je ne vois pas trop son influence sur les transitions électroniques.

Il faut que l'énergie du rayon incident soit absorbée par quantat (E=h\nu), et donc cela ne se fera que dans certaines parties du visible. Par contre, il est possible que le rayonnement de desexitation se fasse dans une autre longueure d'onde, qui est elle absorbée par les atomes voisins, et qui peut ainsi étaler le spectre.

Je m'incruste dans la conversation: le mercure s'évapore à température ambiante, non ? Est-ce qu'on peut grâce à un dispositif particulier percevoir ses vapeurs ?

Leclochard a écrit:Je m'incruste dans la conversation: le mercure s'évapore à température ambiante, non ? Est-ce qu'on peut grâce à un dispositif particulier percevoir ses vapeurs ?

Le mercure est liquide à température ambiante. Il ne se transforme en gaz que vers 360°C.

Oui, il s'evapore par pression de vapeur saturante, mais il est toxique. Que veux-tu dire par percevoir ses vapeurs ?

Je voulais dire les voir (par l'usage d'une lumière spéciale, ou d'un appareil photo ou d'une caméra).
Est-ce que je dois comprendre par "devient gazeux à 360 °" que si j'en dépose dans un verre dans une pièce à température ordinaire (20°), rien ne va dans l'air ? Il n'est pas dangereux.

Il y a un peu des deux. La température d'ébullition est 360°C, donc en théorie, il ne se passe rien en dessous de cette température. Mais il y a en fait un équilibre, et donc en dessous de cette température, il y en aura un petit peu sous forme de vapeur (ce qui explique que le mercure est toxique à manipuler, c'est la vapeur qui est particulièrement toxique).

Il existe des manipulations de diffraction de lampe aux vapeurs de mercure, qui donnent des raies caractéristiques, il doit donc en théorie possible de faire une expérience d'absorption avec une source de lumière blanche, qui devrait présenter les mêmes raie.

Il existe des appareils pour détecter le mercure (onéreux mais nécessaire dans certaines situations de travail).
Effectivement si tu en déposes dans un verre, un peu (très peu, je crois moins d'un microgramme par m^3) se vaporise. Sauf erreur de ma part, on n'atteint pas les valeurs de toxicité mais si on reste dans cette pièce, on en respire en continu et on l'absorbe.
La ventilation de la pièce est censée petit à petit vaporiser tout ton verre (comme de l'eau en fait).

Dans certains lycées, on a des surprises quand on regarde dans certains coins (parquet, siphons) où des thermomètres à mercure se sont cassés, voire il y a longtemps (avant 2000) où on a réalisé des expériences avec du mercure (roue de Barlow...).

Merci pour vos précisions. Il faudrait un matériel spécial qui me semble compliqué à acquérir.
Est-ce que la température influe sur son évaporation ?
Je posais la question car je possède du mercure (2 kg achetés sur internet, lorsque j'étais jeune). Je l'ai conservé dans son flacon avec de l'eau. Sa densité et sa fluidité me fascinaient. J'ai découvert plus tard qu'il y avait des collectionneurs d'éléments chimiques. J'en aurais bien fait partie, si j'avais disposé de place à l'époque.

Le matériel pour voir ca n'est pas très compliqué (chambre noire, source puissante de lumière blanche (pas de LED), prisme ou réseau), mais il faut uine assez grande concentration de gaz, c'est à dire volatiliser une grande (relativement) masse dans un petit volume, ou faire un volume sous vide, mettre le mercure dedans, etc.

Oui, la température influe, mais ce n'est pas forcémeznt le seul paramètre (c'est un équilibre entre le liquide et le gaz)

Si le mercure te plait, tu peux peut-etre regarder le Gallium, qui fond à environ 30°C et le reste pendant assez longtemps (liquide jusqu'à 2200°C je crois).? Attention à ne pas le mettre en contact avec de l'aluminium ou de l'or, comme le mercure, il fait des amalgames....

ar_angar a écrit:Pour qu'une matière soit visible, il faut qu'il y ait interaction entre le rayon incident et les atomes constitutifs de la matière. Cet interaction se faisant sur des temps très court, on doit pouvoir considerer que les atomes sont immobiles à cette échelle de temps, donc pas d'effet doppler. Idem pour l'agitation thermique, je ne vois pas trop son influence sur les transitions électroniques.

Je ne suis pas convaincu par ton raisonnement. Prenons une source de lumière fixe et un gaz, puis un atome (ou une molécule) en particulier dans le gaz. Comme l'interaction photon-atome se fait sur un temps court, on peut supposer que l'atome n'a pas de collision avec un autre atome pendant ce temps, donc on peut le considérer comme isolé. Il se déplace donc selon un mouvement rectiligne uniforme (1ère loi de Newton), donc on peut le prendre comme référentiel galiléen. Si l'atome se rapproche de la source de lumière, il verra le photon avec une longueur d'onde plus faible, donc il absorbera un photon de la source de lumière si sa longueur d'onde « absolue » est plus élevée (que la longueur d'onde d'absorption à 0 K). Inversement, si l'atome s'éloigne de la source de lumière, il absorbera le photon s'il a une longueur d'onde « absolue » plus faible qu'à 0 K.

fullmetalchemist a écrit:

Mathador a écrit:

fullmetalchemist a écrit:Et un gaz, ne devrait-il pas donner des raies d'absorption?

Il me semble que l'agitation thermique étale le spectre par effet Doppler non ?

Wow! Jamais entendu parlé de ça! C'est très stylé comme explication mais je n'y crois pas trop! L'agitation thermique est à mon sens un phénomène sans direction privilégiée. Or l'effet Doppler-Fizeau a lieu quand il y a un rapprochement ou un éloignement des positions relatives de l'émetteur et/ou du récepteur d'une onde... Enfin, certes, ça n'expliquerait pas l'étalement, mais juste un décalage du spectre de raies! Après, en considérant que certaines molécules s'éloignent et que d'autres se rapprochent à un instant t... Mais quand même! Cela empêcherait une bonne absorption puisque celle-ci ne se fait qu'à des longueurs d'onde (et donc à des fréquences) bien précises. En revanche, l'agitation moléculaire (et donc la température) doit être un facteur qui fait que le spectre passe d'un spectre de raies à un spectre plus étalé, c'est possible oui (mais je ne pense pas que l'effet Doppler ait quelque chose à voir là dedans)...

Tu as une formation en physique? En chimie?

Je ne comprends pas ta perplexité, l'élargissement Doppler des raies spectrales est un phénomène bien connu (voir par exemple la page wikipedia: https://fr.wikipedia.org/wiki/Largeur_Doppler_d%27une_raie_spectrale)

Si c'était le cas, on ne pourrais jamais voir une seule raie sur un spectre d'absorbtion. Hors on le voit régulièrement et facilement, sans se mettre dans des conditions extrêmes (de simples expériences en lycée le montrent)

ar_angar a écrit:Si c'était le cas, on ne pourrais jamais voir une seule raie sur un spectre d'absorbtion. Hors on le voit régulièrement et facilement, sans se mettre dans des conditions extrêmes (de simples expériences en lycée le montrent)

Je t'assure que c'est bien le cas, vérifie par toi-même. S'il te faut un lien plus académique, tu n'as qu'à lire la p114 du document suivant : http://www.lra.ens.fr/~levrier/Files/Chapter_4_RT-2016-2017.pdf
J'ajoute que dans tes "expériences de lycée", tu ne disposes tout simplement pas d'un appareillage qui a la résolution nécessaire pour mesurer la largeur de la raie. Mais sache que toute raie a une largeur, aucune n'est infiniment fine, et l'effet Doppler n'est qu'une des causes de cette largeur finie.

ar_angar a écrit:Le matériel pour voir ca n'est pas très compliqué (chambre noire, source puissante de lumière blanche (pas de LED), prisme ou réseau), mais il faut uine assez grande concentration de gaz, c'est à dire volatiliser une grande (relativement) masse dans un petit volume, ou faire un volume sous vide, mettre le mercure dedans, etc.

Oui, la température influe, mais ce n'est pas forcémeznt le seul paramètre (c'est un équilibre entre le liquide et le gaz)

Si le mercure te plait, tu peux peut-etre regarder le Gallium, qui fond à environ 30°C et le reste pendant assez longtemps (liquide jusqu'à 2200°C je crois).? Attention à ne pas le mettre en contact avec de l'aluminium ou de l'or, comme le mercure, il fait des amalgames....

C'est bien le problème à mon avis, il ne veut surtout pas avoir une grande concentration et souhaiterait détecter une très petite concentration.