TP de Physique 1 - Enseignement des Sciences Physiques

Terminale S
TP 8_La spectroscopie UV-visible
I
Spectroscopie UV-visible :
Bonbons Schtroumpf
Objectifs :
- Etablir un protocole et le réaliser afin d’extraire un colorant et
l’identifier par spectroscopie UV-visible.
- Utiliser la loi de Beer-Lambert pour déterminer une concentration.
Votre gentil professeur est allergique au colorant bleu correspondant à la référence européenne « E 133 ».
De façon à ne pas nuire à la santé de votre professeur en lui offrant des bonbons « Schtroumpf »,
vous souhaitez identifier le colorant bleu de ces sucreries.
Quel est donc ce colorant bleu du bonbon Schtroumpf ?
Document 0 :
Travail préliminaire : extraction du colorant
 On retire les chapeaux colorés de 25 bonbons. Puis on découpe le reste des bonbons (partie bleue) en
petits morceaux, qu'on introduit dans un bécher contenant V = 500,0 mL d'eau distillée. On place le tout sur
agitateur magnétique chauffant ; la température ne devant pas dépasser 80 °C.
 On filtre le mélange obtenu pour se débarrasser des parties incolores non solubilisées, et on attend que la
solution revienne à température ambiante.
=> On appelle "solution schtroumpf" la solution obtenue.
* Travail à effectuer :
Proposer un protocole expérimental permettant d’identifier
le colorant présent dans le bonbon.
Une fois le protocole imaginé, le faire contrôler et le réaliser.
Matériel à votre disposition :
* Spectres UV-visible à 25 °C des colorants suivants : bleu de bromothymol (= BBT) ; bleu patenté ;
sulfate de cuivre, indigotine, (documents sur l’ordinateur) ;
* Solution schtroumpf ;
* Eau distillée ;
* Spectrophotomètre ; cuves ; pipettes en matière plastique.
* Sur votre compte-rendu, argumenté et illustré :
- rédiger précisément les protocoles expérimentaux réalisés,
- présenter vos observations, vos résultats expérimentaux et vos interprétations,
- Conclure quant à chaque question posée.
M.Meyniel
1/4
Terminale S
TP 8_La spectroscopie UV-visible
Quelle est la dose journalière admissible de bonbons par rapport à ce colorant ?
Le colorant extrait contient un ion bleu de formule notée B- et de concentration CS dans la solution
de bonbon schtroumpf. On dispose aussi au laboratoire d’une solution mère contenant ce même ion B- à la
concentration [B-]0 = 1,0.10-4 mol.L-1.
* Travail à effectuer :
Proposer un protocole expérimental permettant de déterminer
la concentration de la solution schtroumpf afin de répondre à l’interrogation.
Une fois le protocole imaginé, le faire contrôler et le réaliser.
Matériel à votre disposition :
* la solution schtroumpf ;
* la solution « mère » de colorant de concentration [B-]0 = 1,0.10-4 mol.L-1 ;
* Fiole jaugée de 50 mL, poire à pipeter, pipette graduée de 10 mL ;
* béchers ;
* Eau distillée ;
* Spectrophotomètre, cuves, pipettes en plastique ;
* Logiciel REGRESSI et ordinateur.
* Sur votre compte-rendu, argumenté et illustré :
- rédiger précisément les protocoles expérimentaux réalisés,
- présenter vos observations, vos résultats expérimentaux et vos interprétations,
- Conclure quant à chaque question posée.
Document 1 :
Solution mère du colorant
On dissout au laboratoire une masse m = 116 mg du colorant bleu identifié préalablement, de formule CaB2
-1
(s) et de masse molaire M = 1 160,1 g.mol , dans une fiole jaugée de volume V0 = 2,0 L.
L’équation de dissolution est :
CaB2 (s) → Ca2+(aq) + 2 B-(aq)
L’ion calcium Ca2+ est incolore ; l’anion B- est bleu dans l’eau et de concentration en solution [B-]0 = 1,0.10-4 mol.L-1.
Document 2 :
Dosage par étalonnage
Doser une espèce chimique consiste à déterminer sa concentration (ou sa quantité de matière) dans une solution.
Lors d’un dosage par étalonnage, on utilise une grandeur physique qui dépend de la concentration de
l’espèce étudiée (l’absorbance par spectrophotométrie ou la conductivité par exemple).
* Pour cela, on se sert d’une gamme de solutions dites "étalons" de concentration connue et on mesure leur
absorbance ce qui permet de tracer la courbe d'étalonnage reliant la grandeur étudiée à sa concentration C, soit la
courbe A = f (C) dans le cas de l’étude de l’absorbance.
* En reportant la valeur de l’absorbance de l'échantillon inconnu sur la courbe, on en déduit sa concentration
recherchée.
M.Meyniel
2/4
Terminale S
TP 8_La spectroscopie UV-visible
Document 3 :
Loi de Beer-Lambert
Soit une espèce de concentration C (en mol.L-1) introduite dans une cuve de largeur ℓ (en cm) traversée par
un faisceau monochromatique de longueur d’onde λ à la température T.
L’absorbance A (sans dimension) de cette espèce suit la loi de Beer-Lambert :
A = ε.L.C
-1
-1
avec ε le coefficient d’extinction molaire de l’espèce considérée en L.mol .cm
Document 4 :
Dose journalière admissible (DJA)
L’Union Européenne fixe, pour tous les additifs alimentaires et donc les colorants, les valeurs de dose
journalière admissible (DJA), qui correspondent à la masse maximale absorbable par kg de masse corporel et par
jour.
Voici les DJA, en mg de produit absorbable par kg de masse corporelle et par jour, de trois colorants
alimentaires bleus.
Colorant
DJA (mg/kg/jour)
-1
Mion (g.mol )
Document 5 :
Bleu patenté E131 anion
monochargé
noté A
2,5
560
Indigotine E132,
2Anion noté B
Bleu brillant E133, anion
3noté D
5,0
420
10,0
747
Quelques modes opératoires de manipulations en chimie
Protocole d’une dissolution
 Peser la masse souhaitée de solide dans une coupelle préalablement tarée ;
 A l’aide d’un entonnoir, introduire le solide dans une fiole jaugée de volume souhaité.
 Ajouter de l’eau distillée jusqu’au ¾ et agiter de façon à dissoudre tout le solide ;
 Compléter avec de l’eau distillée jusqu’à ce que le bas du ménisque soit confondu avec le trait de jauge ;
 Homogénéiser.
Protocole d’une dilution
 Prélever le volume désiré à l’aide d’une pipette adaptée dans un bécher ;
 Les introduire dans une fiole jaugée de volume adéquate ;
 Ajouter de l’eau distillée jusqu’à ce que le bas du ménisque soit confondu avec le trait de jauge ;
 Homogénéiser.
Utilisation d’un spectrophotomètre
 Dans un premier temps, régler le spectrophotomètre sur la longueur d’onde λ désirée (se reporter à la notice
collée dessus.)
 Faire le blanc. Pour cela : remplir la cuve avec le solvant (ici, l’eau) et la placer (avec une orientation correcte) à
l’intérieur du spectrophotomètre. Appuyer sur le bouton correspondant pour faire le zéro (le blanc) ; la valeur
indiquée est alors 0,000.
 Retire la cuve.
 Remplir la cuve avec la solution désirée, la placer dans le spectrophotomètre et mesurer son absorbance A.
Pour le plaisir … :
* Modélisez la courbe obtenue sur l’ordinateur afin de vérifier que la loi de Beer-Lambert est bien respectée.
Déterminer alors le coefficient d’extinction molaire de l’ion coloré à la longueur d’onde considérée et à la température
de l’expérience.
* A l’aide des données de masse, de masse molaire et de volume du document 1, démontrer que la
concentration en anion B- est bien 1,0.10-4 mol.L-1 dans la solution mère.
M.Meyniel
3/4
Terminale S
TP 8_La spectroscopie UV-visible
absorbance
Sulfate de cuivre
400
450
500
550
600
650
longueur d’onde (en nm)
700
750
absorbance
Bleu patenté
400
450
700
750
500
550
600
650
longueur d’onde (en nm)
700
750
absorbance
BBT
450
500
550
600
650
longueur d’onde (en nm)
Indigotine
absorbance
400
M.Meyniel
longueur d’onde (en nm)
4/4
Terminale S
TP 8_La spectroscopie UV-visible
Correction
Quel est donc ce colorant bleu du bonbon Schtroumpf ?
On nous donne les spectres UV-visible de plusieurs colorants bleus. Or, le spectre est caractéristique de
l’espèce absorbante notamment en lisant la valeur de la longueur d’onde au maximum d’absorption : λmax.
Il nous faut donc réaliser le spectre UV-visible d’une solution contenant le colorant bleu du Schtroumpf, déterminer
λmax et comparer avec les autres spectres donnés.
Pour réaliser la solution contenant le colorant (soluble dans l’eau par définition ≠ pigment) du bonbon :
 Prendre bonbon et le « décapiter » car on ne veut que la partie de couleur bleu !
 On peut le couper en petits morceaux afin de faciliter la dissolution.
 On rajoute un volume d’eau suffisant pour dissoudre tout le bonbon (environ 20 mL par exemple).
 On chauffe pour accélérer la dissolution (environ 50 °C) tout en agitant.
 Le bonbon étant riche en gélatine très visqueuse qui trouble la solution, on l’élimine par une filtration simple.
Une fois la solution bleue et homogène obtenue, on en
introduit dans une cuve afin de l’introduire dans le
spectrophotomètre pour faire l’acquisition du spectre UVvisible.
Attention : Afin de s’affranchir de l’absorption due au solvant,
on réalise au préalable un « blanc » : c’est-à-dire qu’on réalise
l’acquisition avec une cuve ne contenant que le solvant seul.
Cet enregistrement sera soustrait aux futures acquisitions et
ainsi les absorptions mesurées ne seront dues qu’au colorant
(c’est un peu comme faire la tare sur une balance pour s’affranchir
de la masse du récipient).
On détermine alors λmax comme mis en évidence sur le spectre ci-dessus.
En comparant avec les valeurs
Sulfate de cuivre
Colorant
trouvées pour les spectres des espèces
815
m (nm)
proposées, on peut conclure que le
colorant bleu contenu dans le bonbon est du bleu patenté.
Bleu patenté
BBT
Indigotine
644
620
608
Rq : * L’absorbance maximale se fait dans le jaune, autrement la couleur complémentaire du bleu, justifiant ainsi la couleur de la solution.
Quelle est la dose journalière admissible de bonbons par rapport à ce colorant ?
Pour connaître la dose journalière de bonbons admissibles, il convient tout d’abord de connaître la
concentration en colorant contenu dans un bonbon. Pour cela, on peut réaliser un dosage par comparaison.
On dispose d’une solution mère de concentration [B0] = 1,0.10-4 mol.L-1
A partir de cette solution mère, on va réaliser plusieurs dilutions afin d’obtenir plusieurs solutions de concentrations
connues [Bi]. On pourra alors mesurer l’absorbance de chacune de ces solutions en se plaçant au maximum
d’absorption afin de tracer la courbe d’étalonnage : A = f ([Bi]).
En mesurant l’absorbance de la solution de Schtroumpf, à l’aide de la courbe d’étalonnage, on sera alors capable de
déterminer sa concentration en reportant le point sur la courbe (cf ci-après).
Voici un exemple de tableau permettant de répertorier l’ensemble des solutions filles de concentration connue à réaliser :
Solution Si
[B-]i (mol/L)
Vmère prélevé (mL)
vfille (mL)
M.Meyniel
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
S9
0,40.10-5
0,60.10-5
0,80.10-5
1,0. 10-5
1,2. 10-5
1,4. 10-5
1,6. 10-5
1,8. 10-5
2,0. 10-5
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
50,0
5/4
Terminale S
TP 8_La spectroscopie UV-visible
Protocole pour réaliser la solution S1 par exemple :
 Prélever 2,0 mL de solution mère de bleu patenté à l’aide d’une pipette graduée.
 Les introduire dans une fiole jaugée de 50,0 mL.
 Ajouter de l’eau distillée jusqu’à ce que le bas du ménisque soit confondu avec le trait de jauge.
 Agiter pour bien homogénéiser la solution.
Une fois les dilutions réalisées, on les introduit dans une
cuve que l’on place successivement dans le spectrophotomètre
pour enregistrer l’absorbance à λmax de chacune de ces solutions.
AS
On obtient la courbe d’étalonnage ci-contre.
On mesure alors l’absorbance de la solution de Schtoumpf AS.
[CS]
[Bi] (mol/L)
=> En reportant la valeur sur la courbe, l’abscisse correspondante donne la concentration cherchée CS = 1,1.10-5 mol/L
Approximations expérimentales lors : décapitation schtroumpf / même proportion dans chaque schtroumpf ? Mesure précise de
l’eau mais après évaporation notamment lors de la dissolution !!! (donc la concentration augmente).
DJA :
La solution de Schtroumpf contient 25 bonbons pour un volume V = 500 mL.
Sa concentration est CS en anion coloré B-.

La masse d’ion coloré dans 25 bonbons est donc :
m25 = n  M = (CSV)  M(B-) = 1,1.10-5  0,500  560 = 3,0.10-3 g

La masse d'ion coloré dans UN bonbon est donc :
m = m25 / 25 = 1,2.10-4 g = 0,12 mg
mDJA = 2,5  70 = 175 mg
D’après le document 4, la DJA est pour une personne de 70 kg :
On peut donc manger chaque jour :
m / mDJA / m = 175 / 0,12 = 1458 bonbons (ce qui laisse un peu de marge …)
Pour le plaisir … :
* Le logiciel affiche une droite linéaire (les points obtenus sont alignés avec l’origine). Les grandeurs axiales
sont donc proportionnelles :
A=kC
avec k = 96 910 L/mol
Cela confirme la loi de Beer-Lambert :
=> Par analogie, on en déduit que :
A = (ε.ℓ).C
k = ε.ℓ
soit
ε = k / ℓ = 96 910 / 1,0 = 9,7.104 L.mol-1.cm-1
* A l’aide des données de masse, de masse molaire et de volume du document 1, démontrer que la
concentration en anion B- est bien 1,0.10-4 mol.L-1 dans la solution mère.
La quantité de matière de soluté CaB2 en solution est :
n = m / M.
La concentration correspondante en soluté est donc :
c0 = n / V0 = m / (M.V0)
D’après l’équation de dissolution la concentration en anion B- est deux fois plus élevée que celle du soluté :
 [B-]0 = 2.c0 = 2  m / (M.V0) = 2  0,116 / (1160,1  2,0) = 1,0.10-4 mol.L-1
M.Meyniel
6/4