Mais qu’observe-t-on lorsqu’on met en contact des réactifs sur la lame d’un microscope ? Quels détails apparaissent à l'échelle du micromètre (10^{- 6} m) lorsqu’on utilise l’outil d’observation des biologistes ?

Depuis juin 2025, un protocole expérimental a été développé de manière empirique pour faire réagir des substances chimiques sur une lame de microscope (2).

Trois difficultés sont apparues dans la réalisation expérimentale :

• le contrôle des vitesses de réactions pour que la caméra puisse filmer la transformation avec une bonne résolution, pendant quelques minutes ;
• l'homogénéité du flux de lumière transmise par la lampe située sous la lame, suivant les variations d’opacité et de transparence ;
• la mise au point du système optique pour obtenir des images nettes suivant les états physico-chimiques des composés qui se forment ou qui sont consommés.

La chimie étudie la matière et ses transformations. Quatre grandes familles de réactions ont été expérimentées.

1. Les réactions acido-basiques

Une transformation acido-basique est caractérisée par un échange d’un ou plusieurs proton(s) H⁺ entre un acide et une base. Elle s’accompagne en solution aqueuse d’une modification du pH. On peut visuellement avoir une indication de cette variation de pH à l’aide d’un indicateur coloré acido-basique : la couleur dépend du pH du milieu dans lequel il est dissous.

Dans la vidéo Jaune, bleu, vert, à gauche de la lame du microscope, on crée un milieu très acide avec de l'acide paratoluène sulfonique (APTS) ; à droite de la lame, un milieu très basique avec l'hydroxyde de potassium KOH. Entre ces deux solides, on introduit du bleu de de bromothymol (BBT) puis on ajoute 3 gouttes d'eau (3).

Figure 1. BBT piégé entre un milieu acide et un milieu basique

Le bleu de bromothymol (BBT) est un indicateur coloré acido-basique. Lorsque le pH est inférieur à 7,1 sa forme protonée (notée AH) prédomine. Lorsque le pH est supérieur à 7,1 sa forme déprotonée A^- est majoritaire (4).

Pour AH, la longueur d'onde du maximum d'absorbance est λ_max = 450 nm : AH absorbe des radiations dans le domaine du violet donc sa couleur (dite complémentaire) est jaune en solution aqueuse.

Pour A^-, λ_max = 620 nm : A^- absorbe des photons dans le domaine de l’orange donc sa couleur complémentaire est bleue en solution aqueuse (5).

La délocalisation des électrons des liaisons doubles et des doublets non liants dans l’ion A^- est différente de celle des électrons de la molécule AH : on observe une augmentation de la longueur d’onde du maximum d’absorbance qu’on appelle effet bathochrome (6).

Figure 2. Formes acide et basique du BBT en solution aqueuse

La séparation jaune-bleu semble montrer un mélange biphasique alors qu’en réalité, tout se passe en solution aqueuse : le BBT est jaune à gauche en milieu basique sous forme protonée AH ; et le BBT est bleu à droite en milieu basique sous forme déprotonée A^-.

La valeur pH = 7,1 correspond au pKa du couple AH/A^- à 298 K : c’est une constante thermodynamique qui caractérise ce couple acido-basique.

D’après la relation d’Henderson-Hasselbalch (7), à pH = pKa = 7,1, il existe en solution aqueuse autant de forme AH que de forme A^- : par synthèse soustractive, la présence de AH (jaune) et de A^- (bleu) conduit à observer une couleur verte.

2. Les réactions de précipitation

Deux ions métalliques en phase aqueuse peuvent réagir l’un sur l’autre et former un « précipité », édifice électriquement neutre et insoluble dans l’eau. L’apparition de cette phase solide est associée à une réaction dite de « précipitation » (8).

Dans la vidéo Nuances de fer, les ions Fe²⁺ réagissent avec les ions hydroxyde OH^– pour former un précipité d’hydroxyde de fer(II), Fe(OH)₂ (s), de couleur verte ; les ions Fe³⁺ réagissent avec les ions hydroxyde OH^– pour former un précipité d’hydroxyde de fer(III) Fe(OH)₃ (s) de couleur rouille (9).

Figure 3. Formation des hydroxyde de fer(II) et de fer(III)

Dans la vidéo Blue color, le sulfate de cuivre hydraté se dissout dans l’eau et libère des ions Cu²⁺. En présence d'ions hydroxyde issus de la potasse KOH, les ions cuivre(II) forment un précipité vert d’hydroxyde de cuivre(II) Cu(OH)₂ (s) (10).

Figure 4. Couleur verte caractéristique de l’hydroxyde de cuivre(II)

3. Les réactions d’oxydo-réduction

Une transformation d'oxydo-réduction est caractérisée par un échange d’un ou plusieurs électron(s) e- entre un réducteur et un oxydant (11).

Dans la vidéo Nuances de fer, les ions Fe²⁺ (incolore) contenus dans le sel de Mohr (NH₄)₂Fe(SO₄)₂,6 H2O, sont oxydés en milieu basique en ions Fe³⁺ (jaune) : le milieu passe de l’incolore au jaune (12).

Figure 5.  De l’incolore au jaune : oxydation des ions fer(II) en ions fer(III)

Sur le diagramme de prédominance du fer dans lequel on trace le potentiel d'oxydo-réduction E en fonction du pH, on observe que pour oxyder les ions fer(II) en ions fer(III), on peut augmenter le potentiel E ou augmenter le pH (13).

4. Les réactions de complexation

Un métal ou un ion métallique peuvent réagir avec des ions ou des molécules et former un édifice appelé « complexe ». La couleur d’un complexe dépend de la nature et du nombre d’oxydation du centre métallique, du nombre et de la nature des ligands qui se coordonnent autour du métal ainsi que de la géométrie du complexe (14).

Dans la vidéo Rupture d’équilibre, après dissolution du chlorure de cuivre(II) CuCl₂ (s) en solution aqueuse, les ions Cu²⁺ réagissent avec les ions chlorure Cl^– pour former un complexe de géométrie tétraédrique [CuCl₄]^2– (aq) de couleur verte.

Figure 6. Complexe tetrachlorocuprate(II) [CuCl₄]^2– de couleur verte

De plus, en présence des molécules d’eau, les ions cuivre(II) forment le complexe octaédrique [Cu(H₂O)₆]²⁺(aq) de couleur bleue (15).
On observe aussi que la couleur de la solution passe progressivement du vert au bleu par déplacement d'équilibre : l'eau (solvant) est très majoritaire devant les ions chlorures dans cette solution (16).

Figure 7. Complexe hexaaquacuivre(II) [Cu(H2O)₆]²⁺ de couleur bleue

Dans la vidéo Rouge de synthèse, les ions fer(II), Fe²⁺ contenus dans le sel de Mohr s'oxydent en ions fer(III), Fe³⁺ en présence du dioxygène de l'air puis réagissent avec les ions thiocyanate SCN^- et les molécules d’eau pour conduire à la synthèse d’un complexe octaédrique [Fe(H₂O)₅(SCN)]²⁺ de couleur rouge (17).

Figure 8. Complexe pentaaquathiocyanatofer(III) [Fe(H₂O)₅(SCN)]²⁺ de couleur rouge

La coloration rouge caractéristique du complexe [Fe(H₂O)₅(SCN)]²⁺ résulte d'un transfert de charge ligand-métal entre le ligand thiocyanate SCN^⁻ et l'ion Fe³⁺. Le complexe absorbe préférentiellement les radiations dans le domaine bleu-vert (λ_max = 490 nm) du spectre visible ; la couleur complémentaire rouge est alors observée. Cette transition électronique est beaucoup plus intense que les transitions d–d habituellement rencontrées dans les complexes des métaux de transition, ce qui explique la forte coloration du complexe (18).

Changer d’échelle constitue un levier central de la démarche scientifique en chimie. Il permet d’établir un lien entre les phénomènes observables à l’œil nu (échelle macroscopique), à la loupe binoculaire (échelle microscopique) et les processus qui se déroulent entre les espèces chimiques (échelles atomique ou moléculaire). Cette approche multi-échelles aide à conceptualiser la structure de la matière et ses transformations. Passer du millimètre au micromètre, puis au nanomètre, et inversement, permet de mieux décrire les facteurs qui influent sur les vitesses des transformations chimiques (cinétique) ainsi que sur les échanges d’énergie mis en jeu (thermodynamique) (19).
 

vidéo Jaune, bleu, vert : https://spcl.ac-montpellier.fr/moodle/mod/page/view.php?id=6281
vidéo Nuances de fer : https://spcl.ac-montpellier.fr/moodle/mod/page/view.php?id=6281
vidéo Blue color : https://spcl.ac-montpellier.fr/moodle/mod/page/view.php?id=6281
vidéo Rupture d’équilibre : https://spcl.ac-montpellier.fr/moodle/mod/page/view.php?id=6281
vidéo Rouge de synthèse : https://spcl.ac-montpellier.fr/moodle/mod/page/view.php?id=6281

Références bibliographiques

(1) Reimer, L. & Kohl, H. Transmission Electron Microscopy: Physics of Image Formation, 5^th Edition, Springer, 2008.
(2) Minc, F. - Vidéos Changements d’échelles : observations microscopiques de réactions chimiques, SPCL Montpellier, notes expérimentales et ressources pédagogiques, 2025-2026. https://spcl.ac-montpellier.fr/moodle/mod/page/view.php?id=6281
(3) Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D. & Bissonnette, C. General Chemistry: Principles and Modern Applications, 12th Edition, Pearson, 2020.
(4) Harris, D. C. Quantitative Chemical Analysis, 11^th Edition, W. H. Freeman, 2020.
(5) Skoog, D. A., Holler, F. J. & Crouch, S. R. Principles of Instrumental Analysis, 7^th Edition, Cengage Learning, 2018.
(6) Pavia, D. L., Lampman, G. M., Kriz, G. S. & Vyvyan, J. R. Introduction to Spectroscopy, 6^th Edition, Cengage Learning, 2024.
(7) Henderson, L. J. "The Theory of Neutrality Regulation in the Animal Organism", American Journal of Physiology, 21, 427-448, 1908.
(8) IUPAC. Compendium of Chemical Terminology (Gold Book), International Union of Pure and Applied Chemistry.
(9) Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. Inorganic Chemistry, 6^th Edition, Pearson, 2024.
(10) Greenwood, N. N. & Earnshaw, A. Chemistry of the Elements, 3^rd Edition, Butterworth-Heinemann, 2024.
(11) Bard, A. J., Parsons, R. & Jordan, J. Standard Potentials in Aqueous Solution, Marcel Dekker, 1985.
(12) Bard, A. J. & Faulkner, L. R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications, 2^nd Edition, Wiley, 2001.
(13) Atkins, P., de Paula, J. & Keeler, J. Atkins' Physical Chemistry, 12^th Edition, Oxford University Press, 2023.
(14) Miessler, G. L., Fischer, P. J. & Tarr, D. A. Inorganic Chemistry, 6^th Edition, Pearson, 2023.
(15) Cotton, F. A., Wilkinson, G., Murillo, C. A. & Bochmann, M. Advanced Inorganic Chemistry, 6^th Edition, Wiley, 1999.
(16) Le May, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J. & Woodward, P. M. Chemistry: The Central Science, 15^th Edition, Pearson, 2023.
(17) Lever, A. B. P. Inorganic Electronic Spectroscopy, 2^nd Edition, Elsevier, 1984.
(18) Ballhausen, C. J. Introduction to Ligand Field Theory, McGraw-Hill, 1962.
(19) Atkins, P. & Jones, L. Chemical Principles: The Quest for Insight, 8^th Edition, W. H. Freeman, 2023.

Crédits illustrations : Freddy Minc