Etude de l`absorbance de solutions aqueuses

TP 3 Etude de l’absorbance de solutions aqueuses
Objectifs :
Détermination de la longueur d’onde pour laquelle l’absorption de la lumière monochromatique par une
solution aqueuse de permanganate de potassium est maximale ;
Vérification de la loi de Beer-Lambert sur l’absorbance d’une solution aqueuse ;
Utilisation de la courbe d’étalonnage pour déterminer la concentration d’une solution inconnue de
permanganate de potassium.
I Principe :
1. définition de l’absorbance :
Lors du passage de la lumière à travers un milieu transparent et coloré, certaines plages de radiations initialement
présentes dans le spectre continu de la lumière blanche incidente sont absorbées. Le spectre de la lumière colorée
présente des bandes sombres d’absorption. Les radiations absorbées dépendent de la nature du milieu.
La couleur absorbée est la complémentaire de la couleur perçue puisque, par définition, lorsqu’on a deux couleurs
complémentaires, on obtient du blanc.
Exemple : une solution de permanganate apparaît pourpre (addition de bleu et de rouge) car elle laisse passer les
radiations bleues et rouges et absorbe les autres (principalement vert et jaune).
On caractérise « le pouvoir d’absorption » d’une solution colorée, pour une longueur d’onde fixée, par une
grandeur appelée absorbance ou densité optique.
L’absorbance A est la capacité d’une espèce chimique colorée à absorber une radiation de longueur d’onde .
L’absorbance A est une grandeur sans dimension dont la valeur est généralement comprise entre 0 et 2.
solution étudiée
lumière
incidente
lumière
transmise
Faisceau monochromatique
d’intensité lumineuse I
Faisceau monochromatique
d’intensité lumineuse I0
l : longueur de la cuve
Lorsqu’un faisceau de lumière monochromatique traverse un milieu absorbant, l’intensité lumineuse I du faisceau
transmis est inférieure à l’intensité lumineuse I 0 du faisceau incident.
Pour évaluer cette diminution, on utilise :
T= I
I0
-
La transmittance T :
-
L’absorbance A de la substance est telle que:
A = - log(T) = - log
-
I
I0
= log
I0
I
La transmittance s’exprime en pourcentage.
Une solution qui laisse passer intégralement la lumière incidente a pour absorbance A = 0 ; lorsque ce n'est pas le
cas, son absorbance est supérieure à 0.
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2. Loi de Beer-Lambert :
Les lois de l'absorption ont été formulées en 1730 par Lambert et généralisées en 1852 par Beer.
Lorsqu’une lumière monochromatique traverse une cuve transparente incolore, de longueur l et contenant une
solution de la substance absorbante de concentration C, l’expression de l’absorbance est donnée par :
loi de beer-Lambert :
A = ( ) . l. C
où ( ) est appelé coefficient d'extinction molaire ;
il dépend de la substance absorbante étudiée, de la longueur d'onde de la lumière et de la température.
Il s’exprime en L.mol-1.cm-1, l étant exprimée en cm et C en mol.L-1
L'absorbance dépend de la longueur d'onde de la lumière monochromatique utilisée.
3. Appareil de mesure :
L'absorbance est mesurée expérimentalement à l'aide d'un spectrophotomètre dans le domaine de rayonnement
visible.
Un spectrophotomètre comprend :
- une source lumineuse polychromatique (lumière blanche émise par une lampe à filament de tungstène).
- un monochromateur permettant de sélectionner une longueur d'onde à partir de la lumière blanche. Il est formé
d'un réseau qui disperse la lumière blanche. La sélection se fait à l'aide d'une fente.
- une cuve contenant un échantillon de solution de l'espèce colorée que l'on étudie.
- une cellule photoélectrique qui fournit un courant électrique proportionnel au nombre de photons qu'elle reçoit.
- un détecteur électronique dont la réponse est proportionnelle à ce courant électrique et permet une mesure
relative de l'intensité lumineuse. L'affichage la donne soit en transmittance T = I / Io, soit en absorbance A avec
A = log (Io / I).
Remarque :
On ne veut étudier que l’absorption de rayonnement de l’espèce colorée. Or, le rayonnement est également absorbé
par la cuve et le solvant, il faut donc supprimer les influences du solvant en utilisant une cuve de référence
contenant de l’eau distillée.
Il faut donc faire le réglage du zéro ou réaliser « un blanc ». Cela consiste à faire une mesure de l’absorbance de
l’ensemble {cuve, solvant} sans l’espèce colorée puis à régler le zéro d’absorbance sur la valeur correspondante.
Un réglage préalable du blanc permet donc de mesurer l'absorbance de l'espèce colorée en solution pour la longueur
d'onde
A ( ) = log ( Isolvant / Isolution ).
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4. Principe de la manipulation :
Tracé du spectre d’absorption d’une solution de permanganate de potassium :
Pour des longueurs d’onde allant de 400 nm à 700 nm, on mesure l’absorbance A de l’échantillon.
Puis, on trace A = f( ). A partir de cette courbe, on détermine la longueur d’onde max pour laquelle l’absorbance
est maximale. Cette valeur de max sera utilisée pour les mesures de la deuxième partie du TP.
Vérification de la loi de Beer-Lambert :
On mesure l’absorbance de solutions de permanganate de potassium de concentrations différentes à la longueur
d’onde max. On trace la courbe d’étalonnage A = f(C).
 D’après la loi de Beer-Lambert, quel type de courbe devriez-vous obtenir ?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ..
A l’aide de cette courbe, connaissant l’absorbance d’une solution, on peut déterminer sa concentration.
II Etude expérimentale :
1. Etude de l’absorbance en fonction de la longueur d’onde :
Cette étude s’effectue avec la solution mère de permanganate de potassium de concentration Cm = 4 x 10-4 mol.L-1.
a. Mode opératoire :
Remplir, après l’avoir rincer, une cuve transparente avec de l’eau distillée qui sert de référence (A=0).
Nettoyer les faces de la cuve.
Prendre une autre cuve transparente, la rincer avec la solution mère puis la remplir avec la même solution.
Nettoyer les faces de la cuve.
Placer les deux cuves dans le spectrophotomètre.
Sélectionner la longueur d’onde du spectrophotomètre sur = 400 nm et régler l’absorbance sur 0.
Mesurer l’absorbance A de la solution mère à 400 nm.
Pour chacune des longueurs d’onde figurant dans le tableau suivant, mesurer l’absorbance de la solution
mère en faisant le zéro entre chaque mesure.
(nm)
400
430
460
490
500
510
520
530
540
A
(nm)
A
550
560
570
580
610
640
670
700
b. Analyse des résultats :
Tracer la courbe A = f( ) ;
En déduire la longueur d’onde max pour laquelle l’absorbance est maximale.
Cette valeur est-elle compatible avec la couleur de la solution ?
2. Mesure de l’absorbance en fonction de la concentration :
a. Mode opératoire :
A partir de la solution mère, préparer 50 mL de 4 solutions filles de concentrations : C1 = 0,4x10-4 mol.L-1,
C2 = 1,6x10-4 mol.L-1, C3 = 2,0x10-4 mol.L-1 et C3 = 3,2x10-4 mol.L-1,
Remplir 6 cuves : une avec de l’eau distillée, les autres avec les 5 solutions de concentrations C 1, C2, C3, C4 et Cm.
Placer les cuves dans le spectrophotomètre dans l’ordre cité ci-dessus.
Sélectionner la longueur d’onde max trouvée précédemment.
Régler l’absorbance 0.
Mesurer l’absorbance des différentes solutions.
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b. Analyse des résultats :
 Tracer la courbe d’étalonnage A = f(C).
 La loi de Beer-Lambert est-elle vérifiée ? Justifier.
 Si oui, calculer ( max) le coefficient d’extinction molaire de la solution de permanganate de potassium pour la
longueur d’onde max sachant que toutes les cuves utilisées sont identiques et font 1 cm de côté.
3. Détermination de la concentration de la solution inconnue :
Soit la solution de permanganate de potassium de concentration inconnue C i.
a. Détermination visuelle :
Comparer la couleur de cette solution avec les couleurs des autres solutions préparées précédemment.
 En déduire un encadrement de la concentration solution inconnue.
Pour
b. Détermination à l’aide de la courbe d’étalonnage :
,
mesurer
l’absorbance de la solution inconnue.
max
A l’aide de la courbe d’étalonnage, en déduire sa concentration.
Ce résultat est-il en accord avec l’encadrement précédent ?
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