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Lors des fêtes, il n’est plus rare de voir surgir des bâtons lumineux qui brillent dans le noir après avoir été activés. On entend dire parfois qu’il faut les mettre au congélateur pour les recharger ou les conserver plus longtemps. Qu’en est-il réellement ? Pour le découvrir, voici quelques expériences que vous pourrez reproduire chez vous.
Par Ludovic Fournier, médiateur scientifique, unité de Chimie du Palais de la découverte

(Reprise de Découverte n° 389, novembre-décembre 2013, p. 68-69)

MATÉRIEL NÉCESSAIRE :
  • des bâtons lumineux*
  • des sacs à congélation
  • un congélateur

Difficulté de l'expérience : 1 / 5 (à partir de 10 ans, avec présence d'un adulte)
Niveau scientifique requis : 3 / 5
(à partir du lycée)

Recharger un bâton lumineux au congélateur ?

Activer un bâton lumineux en le pliant, puis en le secouant quelques secondes : il émet de la lumière. Lorsqu’il ne brille plus, après environ 8 heures passées à température ambiante, le placer une nuit au congélateur (par mesure d’hygiène, vous pouvez placer le bâton dans un sac à congélation fermé). Le lendemain, récupérer le bâton : il reste « éteint » (fig. 1).

Figure 1. Récapitulatif des résultats obtenus. Les clichés ont été pris dans le noir. © EPPDCSI / F. Salpin.

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Que s’est-il passé ? Le bâton est constitué de deux tubes : l’un en plastique à l’extérieur contenant de l’eau oxygénée (réactif1), l’autre en verre à l’intérieur contenant un dérivé du diphényloxalate (réactif 2) et un colorant fluorescent (fig. 2). En tordant le bâton, le tube en verre se casse et les deux réactifs se mélangent, initiant une réaction chimique (transformation des réactifs) et l’émission de lumière qui l’accompagne (encadré Des bâtons chimiluminescents ou fluorescents ?).

Figure 2. Schéma d’un bâton lumineux non activé. © EPPDCSI.

Des bâtons chimiluminescents ou fluorescents ? Les deux ! L’émission lumineuse de ces bâtons résulte bien d’une réaction chimique. Toutefois, elle ne produit pas directement de la lumière, mais provoque l’illumination de colorants fluorescents ajoutés aux réactifs notamment pour obtenir les différentes couleurs de bâtons (voir l’article de Ludovic Fournier et Véronique Polonovski dans ce numéro). C’est probablement pour cela que les bâtons lumineux sont appelés « bâtons fluo ».
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Une fois les réactifs consommés, la réaction cesse et le bâton s’éteint. Pour recharger le bâton, il faudrait alors réintroduire les réactifs épuisés. La température n’ayant aucun effet dans ce cas, placer un bâton au congélateur pour le recharger est inutile.

Conserver un bâton lumineux au congélateur ?

Activer trois bâtons lumineux. Conserver le premier à température ambiante – il servira de témoin – et déposer les deux autres au congélateur, dans un sac à congélation fermé. Lorsque le témoin ne brille plus, au bout d’environ 8 heures (une nuit), sortir l’un des deux bâtons du congélateur : il luit légèrement. Attendre quelques minutes qu’il se réchauffe à l’air libre : il émet de la lumière comme s’il venait d’être activé. Vingt jours plus tard, sortir le second bâton du congélateur et attendre qu’il se réchauffe : il reste éteint (fig. 1).
Que s’est-il passé ? Après une nuit, le bâton témoin ne luit plus car la réaction chimique est terminée. En revanche, le premier bâton retiré du congélateur peut encore briller car il reste des réactifs : la température (–18 °C) a ralenti la réaction. (La lumière émise par le bâton dans le congélateur demeure étonnamment intense car la réaction n’est que ralentie et la faible température favorise l’illumination des colorants fluorescents.) Puis, en se réchauffant, il émet de nouveau une lumière intense car la réaction s’accélère. Quant au dernier bâton, après 20 jours au congélateur, il ne brille plus. Bien que ralentie par la basse température, la réaction s’est produite inexorablement jusqu’à épuisement des réactifs. Une faible température permet donc de ralentir la réaction chimique, mais pas de la stopper. Ainsi, en plaçant un bâton encore brillant au congélateur, vous pourrez le conserver quelques jours en vue d’une réutilisation future. Après 7 jours au congélateur, l’intensité de la lumière émise par le bâton une fois réchauffé est largement visible, mais faible par rapport à celle d’un bâton fraîchement activé. Pour le conserver plus longtemps, il faudrait le refroidir davantage, par exemple en l’immergeant dans de l’azote liquide à –196 °C.

Relation d’Arrhenius

Ces expériences montrent qu’il existe une relation entre la vitesse d’une réaction chimique et la température. Elle s’exprime sous la forme de l’équation empirique d’Arrhenius et la plupart des réactions s’effectuent plus lentement lorsque la température diminue. C’est d’ailleurs pour ralentir les réactions chimiques naturelles aboutissant à leur décomposition que les aliments sont réfrigérés. L. F.

POUR EN SAVOIR PLUS

Atkins P. et Jones L., Pousse A. (traduction), Principes de chimie, De Boeck, 2007.
Valeur B., Lumière et luminescence Ces phénomènes lumineux qui nous entourent, Belin – Pour la science, 2005.

* Pour en savoir plus sur la sécurité et la composition de ces bâtons luminescents, vous pouvez consulter le document suivant, accessible sur Internet :
Comité de coordination de toxicovigilance, Expositions à des dispositifs luminescents : cas enregistrés par les centres antipoison et de toxicovigilance français, 2011.



  • POUR ALLER PLUS LOIN

Bâtons luminescents, quelques expériences / Les petites découvertes n° 87