Expériences de Spectrophotométrie
Introduction
Découvrez les expériences pratiques en spectrophotométrie
Matériel nécessaire
Équipement expérimental
Le spectrophotomètre est l'instrument principal pour les mesures d'absorbance.
Il comprend :
- Une source lumineuse (lampe au tungstène ou au deutérium)
- Un monochromateur (sélectionne une longueur d'onde)
- Une cuve de mesure (généralement en quartz ou en verre)
- Un détecteur (photodiode ou photomultiplicateur)
- Un affichage numérique ou écran
- Verre : pour mesures dans le visible (λ > 350 nm)
- Quartz : pour mesures dans l'UV-visible (λ > 200 nm)
- Longueur optique : généralement 1 cm, mais aussi 0,5 cm ou 2 cm
- Dimensions : 1 cm × 1 cm × 4 cm
- Surface optique : faces planes et parallèles
- Pipettes graduées ou seringues
- Béchers de différentes tailles
- Fioles jaugées pour les dilutions
- Éprouvettes graduées
- Support à cuves
- Solutions tampons
- Solvant de référence (généralement eau distillée)
Protocole expérimental
Procédure de mesure
- Vérifier que l'appareil est allumé et stabilisé (attente de 15-30 min)
- Choisir la longueur d'onde de mesure (généralement λ_max)
- Nettoyer soigneusement les cuves avec de l'eau distillée
- Essuyer les faces optiques avec du papier doux
- Préparer les solutions à analyser
- Remplir une cuve avec le solvant (eau distillée)
- Insérer la cuve dans le spectrophotomètre
- Attendre la stabilisation de la lecture
- Régler l'appareil à zéro (touche "Zéro" ou "Blanc")
- Vérifier que A = 0
- Retirer la cuve de solvant
- Insérer la cuve contenant la solution à analyser
- Attendre la stabilisation de la lecture
- Lire l'absorbance affichée
- Noter la valeur avec les unités appropriées
- Reproduire si nécessaire pour plusieurs longueurs d'onde
- Ne pas toucher les faces optiques des cuves
- Éviter les bulles d'air dans la solution
- Assurer la propreté des cuves
- Protéger les solutions photosensibles
- Vérifier la concentration de la solution (éviter les concentrations trop élevées)
Expérience de dosage par étalonnage
Principe du dosage
Le but est de déterminer la concentration d'une solution inconnue en utilisant la loi de Beer-Lambert.
On prépare une série de solutions de concentrations connues (gamme d'étalonnage).
On mesure l'absorbance de chaque solution à λ_max.
On trace la courbe A = f(c) qui doit être une droite passant par l'origine.
On mesure l'absorbance de la solution inconnue.
On déduit la concentration inconnue à partir de la droite d'étalonnage.
On part d'une solution mère de concentration connue.
On prépare 5 à 6 solutions filles par dilution.
Exemple : Solution mère à 0,1 mol·L⁻¹, on prépare :
- Solution 1 : 0,02 mol·L⁻¹ (dilution 5 fois)
- Solution 2 : 0,04 mol·L⁻¹ (dilution 2,5 fois)
- Solution 3 : 0,06 mol·L⁻¹ (dilution 1,67 fois)
- Solution 4 : 0,08 mol·L⁻¹ (dilution 1,25 fois)
- Solution 5 : 0,10 mol·L⁻¹ (solution mère)
On reporte les mesures dans un tableau :
| Concentration (mol·L⁻¹) | Absorbance A |
|---|---|
| 0,02 | 0,15 |
| 0,04 | 0,30 |
| 0,06 | 0,45 |
| 0,08 | 0,60 |
| 0,10 | 0,75 |
On trace le graphique et on détermine l'équation de la droite : A = k × c
Suivi cinétique d'une réaction
Cinétique chimique
On peut suivre l'évolution d'une réaction chimique en mesurant l'absorbance d'une substance colorée en fonction du temps.
Exemple : réaction entre le peroxyde d'hydrogène et l'iodure de potassium
H₂O₂ + 2I⁻ + 2H⁺ → I₂ + 2H₂O
Le diiode formé est coloré (jaune-brun) et absorbe à λ ≈ 550 nm.
L'absorbance augmente proportionnellement à la concentration en I₂ formé.
- Préparer les réactifs séparément
- Mettre la cuve dans le spectrophotomètre
- Faire le blanc avec le solvant
- Mélanger les réactifs (instant t = 0)
- Commencer les mesures d'absorbance à intervalles réguliers
- Noter les valeurs dans un tableau
- Tracer la courbe A = f(t)
La courbe A = f(t) montre l'évolution de la concentration en produit coloré.
La pente de la tangente à la courbe donne la vitesse de réaction.
La vitesse diminue au fur et à mesure que les réactifs sont consommés.
Le temps de demi-réaction t₁/₂ est le temps pour que l'avancement atteigne la moitié de sa valeur finale.
Identification de substances
Recherche de λ_max
Pour identifier une substance, on trace son spectre d'absorption.
On mesure l'absorbance à différentes longueurs d'onde.
On sélectionne une longueur d'onde pour le dosage.
Chaque substance a un spectre caractéristique.
- Préparer une solution diluée de la substance
- Fixer la concentration (faible pour respecter la loi de Beer-Lambert)
- Sélectionner une plage de longueurs d'onde (ex : 400-800 nm)
- Mesurer l'absorbance à chaque longueur d'onde
- Tracer le spectre A = f(λ)
- Identifier le pic d'absorption maximale λ_max
- Diiode (I₂) : λ_max ≈ 550 nm (absorbe le vert, apparaît violet-rouge)
- Permanganate de potassium (KMnO₄) : λ_max ≈ 525 nm (absorbe le vert-jaune, apparaît violet)
- Chlorure de cobalt (CoCl₂) : λ_max ≈ 510 nm (absorbe le vert, apparaît rose)
- Chlorophylle a : λ_max ≈ 430 nm et 660 nm (absorbe bleu et rouge, apparaît verte)
Exercices d'application
Pratique expérimentale
Vous devez doser une solution de permanganate de potassium de concentration inconnue. Décrivez le protocole expérimental à suivre.
On suit la réaction A + B → C en mesurant l'absorbance du produit C formé. La concentration initiale de A est 0,10 mol·L⁻¹. Le tableau ci-dessous donne les valeurs d'absorbance en fonction du temps :
t (min) : 0, 2, 4, 6, 8, 10
A : 0, 0,20, 0,35, 0,45, 0,50, 0,52
La droite d'étalonnage est A = 1,5 × [C]. Calculer la concentration de C à t = 6 min et l'avancement de la réaction à ce moment-là.
Le spectre d'absorption d'une solution montre un pic d'absorption maximal à 620 nm. Quelle couleur perçoit-on pour cette solution ? Justifiez votre réponse.
On prépare une gamme d'étalonnage pour une solution colorée. Les concentrations sont : 0,02 ; 0,04 ; 0,06 ; 0,08 ; 0,10 mol·L⁻¹. Les absorbances mesurées sont : 0,15 ; 0,30 ; 0,44 ; 0,61 ; 0,75. Tracer la courbe A = f(c) et déterminer l'équation de la droite. Une solution inconnue a une absorbance de 0,55. Calculer sa concentration.
Solutions des exercices
Corrections détaillées
Données : KMnO₄, λ_max = 525 nm
Protocole :
- Choisir λ = 525 nm
- Préparer une gamme d'étalonnage avec des solutions de concentrations connues (0,01 à 0,1 mol·L⁻¹)
- Faire le blanc avec de l'eau distillée
- Mesurer l'absorbance de chaque solution
- Tracer A = f(c)
- Mesurer l'absorbance de la solution inconnue
- Déterminer la concentration à partir de la droite d'étalonnage
Données : A = 0,45 à t = 6 min, A = 1,5 × [C]
Calcul de [C] : [C] = A/1,5 = 0,45/1,5 = 0,30 mol·L⁻¹
Calcul de l'avancement ξ : ξ = [C] = 0,30 mol·L⁻¹
Réponse : À t = 6 min, [C] = 0,30 mol·L⁻¹ et l'avancement est de 0,30 mol·L⁻¹.
Données : λ_max = 620 nm (orange-rouge)
La solution absorbe la lumière orange-rouge.
Elle transmet la lumière complémentaire : bleu-vert.
Réponse : La solution apparaît bleu-verte.
Après tracé de A = f(c), on obtient une droite passant par l'origine.
La pente est : k = ΔA/Δc = (0,75-0,15)/(0,10-0,02) = 0,60/0,08 = 7,5
Équation : A = 7,5 × c
Pour A = 0,55 : c = A/7,5 = 0,55/7,5 = 0,073 mol·L⁻¹
Réponse : La concentration de la solution inconnue est de 0,073 mol·L⁻¹.
Applications dans la vie quotidienne
Utilisation pratique
Le dosage de la caféine dans les boissons énergisantes.
La teneur en colorants dans les sodas.
La concentration en alcool dans les boissons.
Le taux de sucre dans les jus de fruits.
Dosage des nitrates dans l'eau potable.
Détection de métaux lourds.
Contrôle de la pollution des rivières.
Surveillance des stations d'épuration.
Dosage de la glycémie dans le sang.
Évaluation des enzymes hépatiques.
Contrôle des électrolytes dans le plasma.
Identification de substances dans les analyses.
Dosage des vitamines dans les compléments.
Contrôle des additifs alimentaires.
Détection de contaminants.
Évaluation de la fraîcheur des aliments.
Résumé
Points clés
- Spectrophotomètre (source lumineuse, monochromateur, cuve, détecteur)
- Cuves de mesure (verre ou quartz selon la longueur d'onde)
- Matériel de dilution (pipettes, fioles jaugées)
- Préparation des solutions
- Faire le blanc avec le solvant
- Choisir la longueur d'onde d'absorption maximale
- Effectuer les mesures dans les conditions optimales
- Dosage quantitatif par étalonnage
- Identification de substances par spectre d'absorption
- Suivi de réactions chimiques
- Contrôle qualité dans l'industrie
Conclusion
Félicitations !
Continuez à pratiquer pour renforcer vos compétences en physique-chimie