Spectrophotométrie UV-visible

Fiche TP
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Spectrophotométrie UV-visible
Interaction lumière - matière
La spectrophotométrie est l’étude de l’interaction entre la matière et le rayonnement.
Lorsque de la lumière traverse une substance, elle est en partie transmise et en partie absorbée.
Si une substance absorbe dans le domaine visible (400 nm < λ < 800 nm), alors elle est colorée. Éclairée par de la lumière blanche, elle prendra la couleur des radiations qui parviennent à traverser, couleurs
complémentaires des couleurs absorbées.
On peut utiliser le cercle chromatique qui permet de visualiser rapidement quelles sont les couleurs complémentaires :
Les couleurs sont placées par ordre croissant de longueur d’onde le long du cercle.
Deux couleurs complémentaires se trouvent l’une en face de l’autre.
Exemple : une solution de diiode I2 absorbe principalement les rayonnements de longueur d’onde entre 450
et 500 nm (bleu-violet) : la solution est alors jaune-orangée (couleurs complémentaires des rayonnements
absorbés, situées en face dans le cercle chromatique).
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Loi de Beer-Lambert
Considérons une radiation monochromatique (de longueur d’onde λ) incidente, d’intensité I0 (λ). Cette radiation traverse une épaisseur ` de solution du composé X de concentration c qui absorbe la lumière partiellement. L’intensité transmise est It (λ) < I0 (λ).
On définit :
• la transmittance de la solution : T =
It (λ)
; 0 < T < 100%
I0 (λ)
• l’absorbance de la solution (ou densité optique) : A = − log T
(A est ainsi une grandeur positive sans dimension).
L’expérience montre que pour une solution peu concentrée en substance absorbante, la relation suivante, dite
loi de Beer-Lambert, est vérifiée :
A = ε(λ) · ` · c
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mlm.pcsi
A : absorbance.
` : longueur de la cellule.
c : concentration de substance absorbante.
ε(λ) : coefficient d’absorption molaire (fonction de la nature de la substance, de la longueur d’onde de la
lumière λ, de la nature du solvant et de la température T .
Unités
Un analyse dimensionnelle classique montre que le coefficient d’absorption molaire a la dimension d’une
longueur au carré divisée par une quantité de matière. Son unité dans le S.I. est donc le m2 · mol−1 .
Mais ce n’est pas l’unité la plus usuelle :
• ` se mesure en cm (la cuve fait en général 1 cm).
• c est une concentration en mol · L−1 .
• A est sans unité.
•
ε(λ) est donc en L · mol−1 · cm−1
Si la solution contient plusieurs substances absorbantes, il y a additivité des densités optiques :
A=
X
i
Ai =
X
εi (λ) · ` · ci
donc
i
A=`·
X
εi (λ) · ci
i
où ` est la longueur de la cellule traversée, ci la concentration de l’entité Xi et εi (λ) le coefficient d’absorption
molaire de l’espèce Xi
Limites
La valeur de A est comprise entre 0 et +∞, or expérimentalement on ne peut pas exploiter toutes les valeurs
d’absorbance.
Vers les petites valeurs de A :
Plus les valeurs de A sont petites plus le détecteur reçoit de lumière et plus la différence entre l’intensité
incidente et l’intensité transmise est faible. Les valeurs se rapprochent de la valeur de l’incertitude
intrinsèque de l’appareil et ne peuvent être exploitées.
Vers les grandes valeurs de A :
Il existe deux limites quand les valeurs de A augmentent.
• La première est due au spectrophotomètre en lui-même, plus A est grande moins le détecteur reçoit
de lumière, quand on se rapproche de la limite de détection le détecteur ne peut plus distinguer
deux valeurs proches de A. Vous verrez apparaître un écrêtage de la courbe, on parle de saturation
de l’appareil même si le terme est mal choisi (il pourrait faire croire que le détecteur reçoit trop
de lumière, mais c’est l’inverse). Cette limite dépend de l’appareil utilisée.
• La deuxième limite se situe au niveau de la loi de Beer-Lambert. Cette dernière n’est plus vérifiée
quand la concentration en espèces absorbantes est trop importante (les molécules ne se comportent
plus indépendamment les unes des autres). La limite dépend des molécules absorbantes.
Expérimentalement, avec les spectrophotomètres du lycée, pour des mesures raisonnables nous resterons dans
le domaine suivant : 0, 1 < A < 2
mlm.pcsi
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Pratique expérimentale
Si l’on fixe ` et c, on obtient la courbe A(λ) qui est baptisée spectre d’absorption de X.
Si l’on fixe λ, A doit être proportionnelle à c à ` constant ; on trace donc la courbe A = f (c) pour voir si la
loi de Beer-Lambert est vérifiée (courbe d’étalonnage).
Pour une solution ne contenant qu’une seule espèce absorbante, la mesure de la densité optique est donc
une méthode non destructive de la mesure de la concentration de l’entité en question. On peut donc utiliser
la spectrophotométrie dans des études de cinétique ou comme méthode analytique de détermination des
concentrations.
Choix de la longueur d’onde de travail
Pour augmenter la précision et limiter l’incertitude sur les mesures on se place à la longueur d’onde pour
laquelle le coefficient d’absorption molaire de la substance est maximum.
Remarque 1 : lorsque le maximum d’absorption conduit à une absorbance trop élevée (saturation, sortie du domaine de validité
de la loi de Beer-Lambert), on peut se placer à un maximum relatif d’absorbance plus faible, ou encore à un épaulement du
spectre.
Remarque 2 : Si plusieurs substances colorées sont susceptibles d’absorber la lumière incidente, on essayera de se placer à une
longueur d’onde pour laquelle une seule des espèces absorbe la lumière. On pourra alors suivre l’évolution de sa concentration,
sans tenir compte des autres espèces.
Nécessité de faire un blanc
Si l’on veut mesurer uniquement l’absorbance du composé étudié il faut s’affranchir de toutes les autres
sources d’absorption : les parois de la cuve et le solvant.
Voici la marche à suivre pour une mesure à λ fixé :
1. Placer dans l’appareil une cuve de mesure (dite cuve de référence) ne contenant que le solvant.
2. Relever l’absorbance, et calibrer l’appareil pour lui signifier que cette absorbance doit être nulle (ceci
se fait automatiquement avec les appareils numériques dont vous disposez).
3. Retirer la cuve de référence et placer la cuve contenant la substance absorbante. Relever la mesure.
Pour le balayage en longueur d’onde, il suffit de placer la cuve de référence pour que l’appareil mesure son
absorbance à chaque λ. Il soustraira la courbe obtenue à celle de l’échantillon.
Utilisation des cuves :
Lorsqu’elles existent, on maintient les cuves par les faces dépolies. . .
Il faut veiller à éliminer les fines bulles d’air qui pourraient se former lors du remplissage des cuves.
Il faut essuyer soigneusement avec du papier Joseph les faces des cuves traversées par le faisceau
lumineux afin d’éliminer toutes traces de doigts.
Si la cuve est en plastique, il faut la jeter si elle présente des rayures.
La spectrophotométrie exige beaucoup de précision dans la préparation des solutions ; c’est en effet
une méthode très sensible.