TP 3

TP4 : Spectrophotométrie : vérification de la loi de Beer Lambert
1
1.1 Mode opératoire :
1. Prélever V mL de la solution mère à la pipette jaugée.
Est-ce que je sais :
Mettre une propipette sur une pipette sans être un danger public
(tenir la pipette au boût, au niveau où on positionne doucement la
propipette).
Ne pas souiller une solution (pipeter dans un deuxième bécher et
non comme un souillon dans la solution mère ?)
Me tenir debout.
Tenir la pipette verticale.
Assurer avec mes deux mains la pipette, la propipette et le bécher
à chaque instant.
Qu’il ne faut jamais mettre de liquide dans la propipette (qu’il ne
faut pas laisser un système « pipette-propipette » incliné avec un
angle supérieur ou égal à 90° ; au passage, la propipette ne doit
pas être laissée sur la pipette lorsque la pipette est posée sur la
paillasse).
Avoir mes yeux au niveau du liquide ?
Qu’il faut lire au bas du ménisque.
Qu’il faut ajuster le volume en faisant couler le liquide « par
capillarité » (incliner le bécher de 45°, laisser la pipette verticale, le
niveau du liquide à hauteur des yeux)
Que certaines pipettes jaugées sont des pipettes 2 traits.
2. Verser ce prélèvement dans la fiole jaugée.
Est-ce que je sais :
Que la dernière goutte doit couler par capillarité.
3. Compléter au trait de jauge avec le solvant.
Est-ce que je sais :
PCSI
Que l’on a le droit d’ouvrir une pissette d’eau distillée pour remplir
plus rapidement la fiole jaugée.
Qu’il faut s’arrêter 1 cm avant le trait de jauge, et finir de
compléter avec la pipette pasteur (en prélevant l’eau distillée
dans un bécher , et non directement dans la pissette comme un
souillon).
4. Agiter pour homogénéiser.
Est ce que je sais :
Qu’il faut ici utiliser un bouchon propre pour la fiole jaugée.
Qu’il ne faut pas agiter sauvagement, pour éviter en particulier des
émulsions dans certains cas.
Spectrophotométrie - Dilution
Dilution et facteur de dilution.
1.2 Calcul théorique
-1
Exemple : solution mère à Cmère = 0,50 mol.L . Vprélevé à mère = 20,0 mL
(volume de la pipette jaugée)
Vfille = 50,0 mL (volume de
la fiole jaugée)
Alors la quantité de matière prélevée à la solution mère se
retrouve dans la solution fille :
Cmère × Vprélevé à mère = Cfille × Vfille.
D’où Cfille = Cmère ×
le facteur
V fille
Vmère
Vmère
V fille
est appelé « facteur de dilution », et vaut ici 2,5
(on dilue ici 2,5 fois…)
Ce rapport vaut donc aussi
Cmère
-1
, il vient Cfille = 0,20 mol.L .
C fille
Utilisation du « facteur de dilution ».
-1
Si on a une solution mère à Cmère = 0,50 mol.L et que l’on veut une solution fille à
-1
0,010 mol.L , le facteur de dilution vaut 50 : il faut donc diluer 50 fois :
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TP4 : Spectrophotométrie : vérification de la loi de Beer Lambert
Soit on prélève 1,0 mL de mère que l’on place dans une fiole jaugée de 50,0 mL
compléter au trait de jauge avec le solvant,
Soit on prélève 2,0 mL de mère que l’on place dans une fiole jaugée de 100,0 mL
compléter au trait de jauge avec le solvant,
Soit on prélève 5,0 mL de mère que l’on place dans une fiole jaugée de 250,0 mL
compléter au trait de jauge avec le solvant,…
Et on s’arrange pour pouvoir garder expérimentalement une précision suffisante
e
(ici, la 3 méthode est satisfaisante, mais consomme beaucoup d’eau distillée. On
préfèrera pour diluer 50 fois :
diluer 5× puis diluer 10 ×
Diluer 5× : prélever 10,0 mL de mère que l’on place dans une fiole
jaugée de 50,0 mL compléter au trait de jauge.
Puis diluer 10 × : prélever 10,0 mL de la solution précédente que l’on
place dans une fiole jaugée de 100,0 mL.
Concentration
(solution mère)
-2
50 mL
2,5 mL
1,0.10 mol.L
-2
-1
4,0.10 mol.L
-4
-1
-2
-1
-4
-1
50 mL
100 mL
5,0.10 mol.L
1,0.10 mol.L
50 mL
100 mL
-2
-1
2,0.10 mol.L
-3
-1
4,0.10 mol.L
50 mL
2) Solvant rajouté
jusqu’au trait de jauge de la
fiole
OU
1) Solution mère (C1)
(prélevée à la pipette)
1/2 du volume de la fiole jaugée
2) Solvant rajouté
jusqu’au trait de jauge de la
fiole
1) Solution mère (C1)
(prélevée à la pipette)
1/5 du volume de la fiole
jaugée
PCSI
-1
Volume de la
Facteur
solution mère
de
prélevé à la
dilution
pipette.
100 mL
Diluer 2 fois
Diluer 5 fois
-4
5,0.10 mol.L
Volume
de la fiole
jaugée
utilisée
100 mL
1.3 Visualisation d’une dilution et du facteur de dilution
Solution mère
(concentration C1)
-1
1,0.10 mol.L
Concentration
(solution fille)
-1
-1
1,0.10 mol.L
-3
-1
2,5.10 mol.L
Dilution facteur 5
-1
-2
-1
à partir de 1,0.10
2,0.10 mol.L
-1
mol.L
Dilution facteur 8 à
partir de la solution
précédente
Dilution facteur 4
-1
-2
-1
à partir de 1,0.10
2,5.10 mol.L
-1
mol.L
Dilution facteur 10 à
partir de la solution
précédente
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100 mL
50 mL
200 mL
100 mL
100 mL
(on le fait
donc en 2
temps)
20
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2 Spectrophotométrie d’absorption
3 Montage expérimental
La spectrophotométrie est l’étude quantitative des interactions
lumière – matière.
En arrivant sur une substance, une partie de la lumière est transmise,
une partie est absorbée. Si l’absorption de lumière a lieu dans le
domaine des longueurs d’onde du visible (longueur d’onde λ entre 400
nm (violet) et 750 nm (rouge)), la substance est colorée.
c
14
14
f (Hz) =
4.10 Hz
7,5.10
λ
Hz
vers les ondes
E.M.
de forte énergie
ultraviolet
(U.V.)
Infrarouge
(I.R.)
visible
400 nm
750 nm
Schématiquement, une source de lumière émet une gamme de
radiation électromagnétique. On sélectionne l’une des longueurs d’onde à
l’aide d’un prisme ou d’un réseau. Cette radiation traverse une cuve de
longueur l contenant la solution à étudier. On connaît en entrée l’intensité
lumineuse I0 (λ) de la radiation lumineuse incidente à la longueur d’onde λ.
On mesure en sortie l’intensité lumineuse I (λ) après traversée de la
solution. I (λ) < I0 (λ).
I0(λ)
Intensité lumineuse incidente
vers les ondes
E.M.
de faible énergie
c
f
Les radiations transmises (qui composent la couleur de l’objet telle
que notre œil la perçoit) sont complémentaires des radiations absorbées.
On admet en général « l’étoile des couleurs complémentaires » : deux
couleurs complémentaires sont diamétralement opposées dans le
diagramme ci-dessous :
l
λ (nm) =
longueur de la cuve
Le spectrophotomètre donne directement la valeur A = log
orangé
violet
450 nm
490 nm
A = D.O. = log
rouge
jaune
bleu
vert
510 nm
I0
I
Il existe des spectrophotomètres monofaisceau ou bifaisceaux
(l’un des faisceau traverse une cuve contenant la solution de référence, ou
blanc (voir réalisation de mesures)).
630 nm
580 nm
545 nm
530 nm
Remarques :
• Les transitions dans l’IR correspondent à des transitions entre
deux niveaux vibrationnels.
• Les transitions dans l’UV et visible correspondent à des
transitions entre deux niveaux électroniques.
PCSI
I0
, nommée
I
absorbance ou ‘densité optique’ D.O.
750 nm
400 nm
I (λ)
Intensité lumineuse transmise
Réalisation pratique de mesures : Pour réaliser une mesure à une
longueur d’onde donnée :
Régler la longueur d’onde du spectrophotomètre à la valeur souhaitée.
Remplir la cuve avec le solvant, la placer dans le spectro et « faire le
blanc » ou « le zéro » : régler l’absorbance à 0,000.
Remarque : 2 types de cuves sont disponibles :
- en verre de silice (quartz) : très coûteuses.
- en polystyrène : ne pas nettoyer à l’acétone !
- Remplir suffisamment la cuve, mais pas trop (jusqu’à 1/2 cm du haut
environ)
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- Essuyer soigneusement au papier Joseph les faces d’entrée et de
sortie des cuves.
- Ne pas poser les doigts sur ces faces !
- Vérifier que les faces d’entrée et de sortie ne sont ni rayées, ni
entachées de marques de doigts.
- Positionner correctement la cuve.
Faire un blanc sur le solvant : les absorbances étant additives, il faut
soustraire (faire un « blanc ») les valeurs qui ne nous intéressent pas dans
l’étude (la solution de référence est souvent le solvant, mais elle peut aussi
contenir d’autres espèces que l’on ne souhaite pas étudier, et dont on
soustrait donc l’absorbance) : placer du solvant dans une cuve, placer la
cuve dans le spectro, fermer le clapet du spectro et valider sur « blanc »
ou « zéro ». La mesure d’absorbance doit indiquer 0.000. Ce blanc, qui
doit être obligatoirement effectué à chaque valeur de la longueur d’onde,
est aussi justifié par la qualité spectrale de la lampe du spectro qui n’émet
pas la même intensité I0 à toutes les longueurs d’ondes.
Vider la cuve, la rincer, puis la remplir avec la solution étudiée. Réaliser
la mesure sur la solution à étudier. Une valeur positive signifie que la
solution étudiée absorbe plus que le « blanc » à cette longueur d’onde.
remarques :
Bien rincer la cuve entre deux mesures. Commencer par l’étude
des solutions les plus diluées (elles fausseront moins les mesures sur les
solutions plus concentrées).
La remise à zéro de l’absorbance avec le solvant doit être
réalisée pour chaque nouvelle longueur d’onde λ, les coefficients
d’absorption molaire du solvant et du matériau de la cuve dépendant
aussi de λ. Si on dispose de deux cuves rigoureusement identiques, on
peut en réserver une pour le solvant, l’autre pour la solution.
4
Loi de Beer Lambert
A :absorbance = log
Sans unité. I0 intensité lumineuse incidente, I intensité lumineuse
transmise.
l
longueur de la cuve, exprimée souvent en cm.
-1
c
concentration de l’espèce absorbante, souvent en mol.L .
coefficient d’extinction molaire, qui dépend de la
ελ
longueur d’onde de travail (d’où un “spectre” de l’espèce colorée (évolution
-1
-1
de A en fonction de la longueur d’onde)); unité usuelle : L mol .cm .
L’absorbance A est une grandeur additive : si deux espèces B1 et
B2 absorbent à la longueur d’onde λ, alors l’absorbance de la solution de A
et B vaut :
A(solution contenant B1 et B2) = ελ(B1) l .cA + ελ(B2) l .cB =
l .[ελ(B1).cA + ελ(B2).cB] = A(B1) + A(B2)
4.2 Limites de la loi
loi de Beer Lambert
En pratique, les spectrophotomètres UV-visibles ne donnent pas de
valeurs précises de A pour A supérieure à 1 ou 2 : les photomultiplicateurs
ne sont pas précis pour des intensités 100 fois plus petites que l’intensité
incidente.
Si la solution est trop concentrée, l’absorbance ne sera plus
proportionnelle à la concentration (d’un point de vue microscopique et
imagé, si une molécule absorbante B’ se situe « derrière » une molécule B
ayant déjà absorbé un photon, B’ ne pourra pas absorber de photon, et ne
participera donc pas à l’absorbance de la solution).
Il faut donc toujours avant toute utilisation de la loi de Beer Lambert (pour
un suivi de cinétique par exemple) vérifier que le domaine d’étude
correspond à un domaine de validité de la loi de Beer Lambert.
4.1 Loi de Beer Lambert
Pour une concentration pas trop importante en espèce absorbante,
l’absorbance à une longueur d’onde donnée est proportionnelle à la
concentration du soluté :
A = D.O. = ελ. l .c
PCSI
I0
, aussi nommée ‘densité optique’ D.O..
I
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5 Vérification de la loi de Beer Lambert
•
Q5 : Pourquoi se place-t-on à λmax ?
A-Première partie : spectre et recherche de λmax :
-4
-1
But : Prendre le spectre d’une solution à 1,0.10 mol.L de permanganate
de potassium.
Q1 : comment avez-vous réalisé la dilution ? Faire les calculs montrant
que l’on obtient bien la concentration prévue.
Q2 : Avant de faire le spectre d’absorption déterminer un odre de grandeur
de la valeur de λmax (longueur d’onde où l’absorbtion est maximale), à
l’aide de l’étoile des couleurs.
Q3 : tracer le spectre d’absorption sur papier millimétré. (titre, échelles,
…) ; quelle est la valeur maximale de l’absorbance de cette solution ? A
quelle longueur d’onde (λmax) correspond-elle ?
Par la suite on ne travaillera plus qu’à λ = λmax
•
S1
S2
Q7 : calculer le coefficient d’extinction molaire du permanganate de
potassium.
• C-Troisième partie :
But : Trouver un mode opératoire pour connaître la concentration
-3
(supposée inconnue) de la solution B de concentration environ 4.10
-1
mol.L .
Q8 : expliquer le mode opératoire et en déduire la concentration de la
solution inconnue. Faites ressortir clairement les valeurs expérimentales
que vous avez mesurées.
B-Deuxième partie : droite étalon et limites : Réaliser les
dilutions :
-
solution
Q6 : tracer sur papier millimétré le graphe A = f(c) pour λ = λmax. Quel est
le domaine de validité de la loi de Beer Lambert pour le permanganate de
potassium en solution aqueuse ?
c mol.L
1
-3
5,0.10
-4
8,0.10
-4
6,0.10
-4
4,0.10
-4
2,0.10
Vmère
-
Volume fiole
jaugée
mère
50 mL
50 mL
50 mL
50 mL
paillasses
Les 4 paillasses de
gauche
-3
1,0.10
mère
-5
8,0.10
100 mL
-5
Les 4 paillasses de droite
6,0.10
100 mL
-5
4,0.10
100 mL
-5
2,0.10
100 mL
Pour chaque concentration, noter la valeur de l’absorbance pour λ = λmax.
Q4 : Rappeler la loi de Beer Lambert sans oublier de définir chacun de ses
termes (nom, les unités…).
PCSI
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Epsilon ~ 2250 L.mol cm
PCSI
-1
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