Chimie Analytique I: Chapitre 15 La spectroscopie UV-VIS

Chimie Analytique I: Chapitre 15
La spectroscopie UV-VIS
15.1 Les espèces absorbantes
Afin d'observer une transition électronique soit dans l'UV soit
dans le visible, il faut que la molécule possède des électrons
facilement excitables par le rayonnement: il s'agit le plus souvent
de molécules organiques insaturées (chromophores) ou d'
espèces inorganiques possédant des électrons dans des
orbitales d.
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15.2 Les chromophores organiques
La présence d'une double liaison isolée (chromophore) ou d'un
hétéroatome (X, S etc.) suffit à permettre une détection dans l'UV
d'un composé organique.
La conjugaison entre deux chromophores tend à déplacer les
maximas d'absorption vers des plus grandes longueurs d'ondes
(plus petites énergies).
Les transitions sont du type – *.
> 10'000 l·cm-1·mol-1
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15.3 Absorption par des composés de coordination
En général, les composés de coordination sont colorés. Les
absorptions dans le visible sont le plus souvent dues à une
transition d'un électron d d'une orbitale peuplée à une orbitale
virtuelle. Les différences d'énergie entre ces orbitales d dépendent
du métal, de l'état d'oxydation et de la nature du ligand.
On parle de transition d–d.
< 1'000 l·cm-1·mol-1 très variable)
Les absorptions par transfert de charge peuvent se produirent
lorsque un donneur d'électron est lié à un accepteur d'électron.
Ceci est très fréquent avec les composés de coordination.
On parle de transition TC (CT en anglais).
> 10'000 l·cm-1·mol-1
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π*
dz2
π
dyz
MLCT
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15.4 Applications quantitatives
Plus de 90% des analyses médicales sont basées sur la
spectroscopie d'absorption UV-Vis. Ceci est dû à:
i) Une grande sensibilité: limites de détection en spectroscopie
d'absorption 10-5 à 10-7 M.
ii) Unr bonne sélectivité: on peut trouver un longueur d'onde
où un seul des analytes absorbe.
iii) Une bonne exactitude: les erreurs relatives sur la co un
ccentration sont de l'ordre de 1-5%.
iv)Champ d'application très vaste: même si l'analyte à étudier
n'absorbe pas, on peut le faire réagir avec un réactif
chromophore pour former un produit absorbant. (Cette
réaction de dérivatisation doit être quantitative).
iv) Une facilité de mise en oeuvre (méthodes automatisées).
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15.5 Les titrages (spectro)photométriques
Les mesures (spectro)photométriques peuvent être employées
pour déterminer les points de fin de titrage, pour autant qu'au
moins un des produits de la réaction soit absorbant (ou qu'on
travaille avec un indicateur coloré).
Une courbe de titrage photométrique est un graphique de
l'absorbance (corrigée) en fonction du volume de réactif titrant.
La courbe est constituée de deux parties linéaires différentes:
l'une au début du titrage et l'autre au-delà du point d'équivalence.
Le point de fin de titrage est déterminé par extrapolation des
deux parties linéaires.
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seul [Cu(EDTA)]2- absorbe à 745 nm
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15.6 Avantages des titrages (spectro)photométriques
Les résultats obtenus par titrages photométriques sont souvent
plus exacts que ceux qui résultent d'une mesure photométrique
directe car la détermination du point de d'équivalence repose sur
une extrapolation de plusieurs mesures.
La présence d' autres espèces absorbantes ne cause pas
d'interférence puisqu'on mesure une variation d'absorbance.
Puisque le point d'équivalence est extrapolé, ce point
d'équivalence n'a pas besoin d'être aussi net que pour un titrage
qui dépend d'observations effectuées près du point d'équivalence.
Par conséquent, on peut titrer des solutions plus diluées et les
constantes d'équilibre peuvent être moins élevées.
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15.7 Etude spectrophotométrique des ions complexes
La spectrophotométrie permet de déterminer la composition d'ions
complexes en solution ainsi que leur constante de formation.
Les trois techniques les plus utilisées pour ces études sont:
i) la méthode des variations continues;
ii) la méthode du rapport molaire;
iii) la méthode du rapport des pentes.
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i) la méthode des variations continues.
Solutions du cation et du ligand: mêmes concentrations.
Varier à volume constant (donc nombre total de moles constant) le
rapport des moles cation:ligand (9:1, 8:2, 7:3 etc)
Mesurer l'absorbance de chaque solution et corriger en tenant
compte de l'absorbance en l'absence de réaction.
Rapporter l'absorbance corrigée en fonction de la fraction molaire
d'un réactif.
L'intersection des deux droites donne le rapport cation:ligand
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ii) la méthode du rapport molaire.
Préparer une série de solutions où la concentration analytique du
cation est maintenue constante tout en variant la concentration du
ligand.
Porter l'absorbance en fonction du rapport molaire cation–ligand.
On obtient deux droites de pentes différentes. Le point d'intersection
correspond au rapport molaire du cation–ligand.
Cette méthode permet de mettre en évidence la formation
successive de complexes de rapports molaires différents, pour
autant que ces espèces aient des coefficients d'absorption molaire
différents et que leurs constantes de formation ne soient pas trop
proches l'une de l'autre.
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iii) la méthode du rapport des pentes.
Méthode utile pour des complexes peu stables, mais où un seul
complexe se forme.
Conditions: a) réaction de complexation complète en
présence d'un grand excès de l'un des réactifs;
b) le système obéisse à la loi de Beer-Lambert;
c) les réactifs ne doivent pas absorber à la
longueur d'onde de travail.
xM + yL
MxLy
cM = [M] + x·[MxLy]
cL = [L] + y·[MxLy]
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Lorsque c L >> cM on peut considérer que tout le métal est complexé:
[M] << x·[MxLy] ssi cM = x·[MxLy]
En applicant la loi de Beer-Lambert:
cM
A1 = ⋅ b ⋅[M x Ly ] = ⋅ b ⋅
x
En reportant l'absorbance en fonction de cM, on obtient une droite de
pente ε·b/x.
Lorsque cM>> cLon peut considérer que tout le ligand est
complexé:
[L] << y·[MxLy] ssi cL = y·[MxLy]
cL
A2 = ⋅ b ⋅[M x Ly ] = ⋅ b ⋅
En appliquant la loi de Beer-Lambert:
y
En reportant l'absorbance en fonction de cL, on obtient une droite de
pente ε·b/y.
b
⋅
A1
y
x
=
=
b
A2
x
⋅
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y
15.8 Spectroscopie de fluorescence: principes
Lorsqu'une molécule excitée par l'absorption d'un rayonnement
électromagnétique revient à l'état fondamental en libérant son
énergie sous forme de photon, on parle de fluorescence. L'émission
du photon dure moins de 10-5s. Par contre, dans la
phosphorescence, l'émission du photon peut durer plusieurs
heures.
Il existe deux types de fluorescence:
i) Fluorescence de résonnance: la longueur d'onde de l'émission
fluorescente est la même que la longueur d'onde de l'absorption.
ii) Fluorescence de Stokes: la longueur d'onde de l'émission
fluorescente est plus grande que la longueur d'onde de l'absorption.
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Echantillon (3 niveaux électroniques E0–E2) irradié par une bande de rayonnement
λ1–λ5 (popule E1) ou λ'1–λ'5 (popule E2).
Relaxation vibrationnelle: processus de transfert d'énergie 10–15s.
Conversion interne: 10-6–10-9s (élévation de la température).
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Fluorescence ou phosphorescence: 10-5 –104s.
15.9 Fluorimétrie: applications
Une espèce fluoresce lorsque le mécanisme de conversion interne
est plus lent que la fluorescence. Le rendement quantique Φ est le
rapport entre le nombre de molécules fluorescentes et le nombre
total de molécules excitées (rapport entre le nombre de photons
émis et absorbés).
La plupart des hydrocarbures non substitués sont fluorescents (pas
les hétérocycles!) Plus le nombre de cycles aromatiques (degré de
condensation et rigidité) augmente, plus Φ augmente.(Tryptophane!)
Plus la température est basse, plus Φ augmente.
La puissance du rayonnement fluorescent est proportionnelle à la
puissance du faisceau d'excitation.
La fluorimétrie est ca. 1000 plus sensible que l'absorption (10-9 M
peuvent être étudiées en routine!).
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15.10 La spectroscopie d'absorption infrarouge
L'énergie de rayonnement infrarouge induit des transitions
vibrationnelles. Un spectre infrarouge est caractérisé par des pics
d'absorption très étroits qui résultent de transitions entre les
différents niveaux quantiques de vibration.
Nombre de vibrations 3N–6: pas toutes les vibrations ne sont
visibles!
La spectroscopie infrarouge est utilisée principalement pour des
analyses qualitatives de composés organiques.
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