Principes

 I- Principe de la luminescence:

En général, la lumière est émise par des corps chauffés à haute température, c'est l'incandescence. Cependant la lumière peut aussi venir d'autres phénomènes qui ne sont pas d'origine thermique, appelés lumière froide ; c'est la luminescence.

Schéma fonctionnel montrant le principe de la luminescence

Il existe plusieurs types de luminescence qui varient selon le mode d'excitation de l'atome :

 

Mode d'excitation	Types de luminescence
lumière	Photoluminescence
Réaction chimique	Chimiluminescence
Réaction biochimique	Bioluminescence
Rayons X, Rayonnement α, β, γ	Radioluminescence
Électrons accélérés	Cathodoluminescence
Champ électrique	Électroluminescence
Élévation de température	Thermoluminescence
Ultrasons	Sonoluminesnce
Frottement, rupture, déformation	Triboluminescence

 II- Principe de la chimiluminescence:

Principe général et exemple de la réaction du luminol:

Lorsque l'émission de lumière se produit dans l'obscurité et qu'il y a une réaction chimique entre l'oxygène et le phosphore et que des espèces sont excitées et émettent de la lumière, c'est de la chimiluminescence. L'espèce chimique excitée lors de la réaction est (PO)₂.

Durant une réaction de chimiluminescence, il y a une réaction d'oxydoréduction durant laquelle des électrons sont transférés entre les réactifs. Ce transfert peut se faire directement par contact entre les réactifs. Dans notre expérience, le luminol a besoin d'un milieu oxydé pour pouvoir réagir, ici, l'eau oxygénée. En présence de celle-ci, le luminol libère du diazote gazeux N_{2 (g)} pour obtenir une molécule à l'état excité.

La molécule de luminol retrouve ensuite son état de repos lorsqu'elle libère des photons (c'est la réaction d'oxydoréduction).

 

 

Dans notre expérience, l'eau oxygénée (H₂O₂) est l'oxydant et le luminol (C₈H₇N₃O₂) est le réducteur, il possède les électrons.
On a donc la présence de couples redox (oxydant/réducteur)

• Un premier couple redox eau oxygénée: H₂O₂/H₂O
• Et un second couple redox luminol: C₈H₅NO₄^2-/ C₈H₇N₃O₂
  La réaction doit être rapide et donc en milieu basique qui sera aussi un catalyseur (si cette réaction avait lieu en milieu non basique, elle serait lente et ne fonctionnerait pas).

Demi-équation du couple redox de l'eau oxygénée:

-Equilibrons les éléments autres que O et H:

H₂O₂...= H₂O...

-Puis équilibrons l'élément O avec des molécules d'eau H₂O:

H₂O₂ ... = H₂O + H₂O ...

-De même pour l'élément H avec des protons H⁺:

H₂O₂ + 2H⁺ ...= 2H₂O ...

-Enfin, équilibrons les charges:

H₂O₂ + 2H⁺ + 2e^- = 2H₂O

Donc l'eau oxygénée capte des protons H ⁺ et des électrons pour se transformer en eau.

Demi-équation du couple redox du luminol:

C₈H₇N₃O₂ ...= C₈H₅NO₄^2-

C₈H₇N₃O₂ + 2 H₂O = 6H⁺ + C₈H₅NO₄^2- + N₂ +4 e^-

Il y a bien équilibre des éléments chimiques et des charges. Le C₈H₇N₃O₂ au contact de l'eau se change en C₈H₅NO₄^2- en libérant 6 protons H⁺ , 4 électrons, et en dégageant du gaz N₂.

→ Nous allons maintenant combiner les deux équations. Pour cela nous allons multiplier par deux chaque côté de la demi-équation du couple redox de l'eau oxygénée pour capter les 4 électrons libérés lors de l'oxydation du luminol.

On obtient alors l'équation suivante :

C₈H₇N₃O₂ + 2 H₂O + 2 H₂O₂ + 4 H⁺ + 4 e^- = 6H⁺ + C₈H₅NO₄^2- + N₂ + 4 e^- + 4 H₂O

En simplifiant, on trouve:

C₈H₇N₃O₂ + 2 H₂O₂ = 2H⁺ + C₈H₅NO₄^2- + N₂ + 2H₂O

→Comme nous l'avons dit précédemment, la réaction doit être rapide et le luminol a donc besoin d'un milieu basique pour obtenir la réaction attendue. Le milieu basique est donc aussi un catalyseur.

On passe du milieu acide au milieu basique en ajoutant des ions HO^- , ce qui nous donne:

C₈H₇N₃O_{2 (aq)} + 2 H₂O_{2 (aq)} + 2 HO^-_(aq) →  C₈H₅NO₄^2-_(aq) + 2 H⁺_(aq) + 2 HO^-_(aq) + N_{2 (g)}+ 2 H₂O _(l)

et grace à: H⁺ + HO^- = H₂O , on a:

C₈H₇N₃O_{2 (aq)} + 2 H₂O_{2 (aq)} + 2 HO^-_(aq) → C₈H₅NO₄^2-_(aq) + N_{2 (g)} + 4 H₂O _(l)

A NE PAS CONFONDRE : La bioluminescence:

La bioluminescence a exactement la même réaction que la chimiluminescence, sauf que la production et l'émission de la lumière se fait dans un organisme. Il y a donc une réaction biochimique.

Chez les animaux, la bioluminescence leur sert pour attirer des proies ou des partenaires, à se camoufler, à perturber un prédateur pour se laisser le temps de fuir ou encore à communiquer visuellement.

Quelques exemples :

Méduse bioluminescente

Poisson vipère (poisson des abysses)

La luciole