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 Fiche TP Lefèvre 2014-­‐2015 SPECTROPHOTOMETRIE 1. INTERACTION LUMIERE – MATIERE La spectrophotométrie est l’étude quantitative des interactions entre la lumière et la matière. Lorsque de la lumière traverse une substance, elle est en partie transmise et en partie absorbée. Si une substance absorbe dans le domaine visible (400nm<λ0<800nm)*, alors elle est colorée. Eclairée par de la lumière blanche, elle prendra la couleur des radiations qui parviennent à traverser, couleurs complémentaires des couleurs absorbées. * Il s’agit de transitions électroniques. Lecture du cercle chromatique : • 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 454mn (bleu-­‐violet) : la solution est alors jaune-­‐orangée (couleurs complémentaires des rayonnements absorbés, situées en face dans le cercle chromatique). 2. LOI DE BEER-­‐LAMBERT a. Définition de l’absorbance Les lois régissant l’absorption de la lumière par une substance colorée ont été formulées en 1730 par J.H. Lambert et généralisées aux solutions par A.Beer en 1852. Soit une cuve de longueur ℓ contenant une solution d’une substance colorée à la centration c. Un faisceau de lumière monochromatique de longueur d’onde λ traverse cette solution ; soit I0(λ), l’intensité de ce faisceau à l’entrée de la cuve et IS(λ), son intensité à la sortie. L’absorption de cette lumière par la solution peut être caractérisée par deux grandeurs : la transmittance et l’absorbance. •
La transmittance donne le pourcentage de lumière que transmet la solution : !! !
! ! =
!! !
•
L’absorbance A est définie par : ! ! = !"#
!
! !
= !"#
!! !
!! !
L’absorbance A est une grandeur sans dimension. Remarques : -­‐
puisque I0(λ)> IS(λ), A>0. -­‐
A est d’autant plus grande que Is est petite, donc que la solution absorbe de lumière. b. Loi de Beer-­‐Lambert L’expérience montre que pour une solution peu concentrée en substance absorbante, l’absorbance A(λ) est proportionnelle à la longueur de la cuve ℓ et à la concentration c de la substance absorbante, ce que traduit la loi de Beer Lambert : A(λ)=ε(λ).
ℓ.c ε(λ) est le coefficient d’absorption molaire de la substance considérée. Ce coefficient dépend de : •
La nature de la substance Remarque : Attention aux unités : si ε(λ) est exprimé en •
La longueur d’onde λ de la lumière 2
-­‐1
-­‐3
unités SI (m .mol ), ℓ doit être en m et c en mol.m . •
La nature du solvant -­‐1
-­‐1
-­‐1
Si ε(λ) est en cm .L.mol , ℓ est en cm et c en mol.L . •
La température. La loi de Beer-­‐Lambert n’est valable que si la solution est peu concentrée en espèce colorée car à trop forte concentration : § Is est trop faible, et le spectrophotomètre trop peu sensible pour donner des valeurs cohérentes de A. § des agglomérats peuvent se former, qui ne possèdent pas le même coefficient d’absorption molaire que l’espèce seule. Remarque : Cette loi est valable aussi pour les radiations UV ou infrarouge. Fiche TP Lefèvre 2014-­‐2015 c. Additivité des absorbances Considérons une cuve de longueur l contenant une solution renfermant n substances colorées, chacune ayant une concentration ci et un coefficient d’absorption molaire εi(λ) à la longueur d’onde et à la température considérées. Chaque substance à une absorbance Ai= εi(λ). ℓ.ci. L’expérience montre que pour les solutions diluées, l’absorbance totale A(λ) de la solution est additive : A(! ) =
!
Toutes les espèces colorées
!
Ai (! ) =
"i (! )" l " ci
Toutes les espèces colorées
3. MESURES SPECTROPHOTOMETRIQUES a. Détermination d’une concentration On utilise souvent la spectrophotométrie afin de connaître la concentration d’une substance colorée dans une solution. L’absorbance est mesurée à l’aide d’un spectrophotomètre. i. Choix de la longueur d’onde de travail • Pour augmenter la précision de l’appareil 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. Pour repérer la longueur d’onde λmax correspondante, on peut tracer la courbe A=f(λ) pour une solution contenant l’espèce et lire la valeur λmax sur la courbe. On appelle cette courbe le spectre d’absorption du composé considéré. Exemple : Pour Br2, le spectre A=f(λ) est ci-­‐dessus. Pour étudier une solution de dibrome, on se placera donc à λ=410 nm. • 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. ii. Déroulement de la mesure Afin d’étudier l’absorption de la lumière par une substance colorée seule, il faut tenir compte du fait que de la lumière est absorbée également par la cuve et le solvant, bien que cette absorption soit faible en général. Pour s’en affranchir, il faut alors « faire le blanc ». Explication : « Faire le blanc » consiste à mesurer l’absorbance (à la longueur d’onde de travail) du solvant et des parois de la cuve, et à retrancher cette valeur à toutes les mesures ultérieures. Ainsi, l’absorbance indiquée par l’appareil est uniquement celle de l’espèce colorée étudiée. La mesure se déroulera comme suit : • Choisir une longueur d’onde λ appropriée (cf i.) • Remplir, aux deux tiers, la cuve avec le solvant seul en veillant à ce que ses parois soient bien propres (ne pas toucher les parois avec les doigts !), la placer dans le spectrophotomètre et « faire le blanc », c'est-­‐à-­‐dire indiquer au spectrophotomètre que cette valeur sera pris comme référence A=0. Attention : Certaines cuves n’ont que deux parois transparentes : veiller à ce que le faisceau passe bien par ces deux parois ! • Vider la cuve, la rincer avec la solution à analyser, puis la remplir aux deux tiers, avec la solution à analyser. Sécher ses parois, la placer dans le spectrophotomètre et lire la valeur affichée. Le « blanc » de l’absorbance doit être effectué pour toute nouvelle longueur d’onde λ, les coefficients d’absorption molaire du solvant et du matériau constituant la cuve dépendant eux aussi de λ. Remarque : Pour être le plus précis possible, il faut réutiliser la cuve qui a été utilisée pour le blanc pour toutes les mesures. Il faut donc à chaque mesure vider la cuve et la rincer avec la solution à analyser avant utilisation. Si un grand nombre de mesures nécessitant un changement de solution doivent être réalisées, on tolèrera un changement de cuve : on fera alors l’approximation que toutes les cuves ont la même absorbance, mais ceci est une approximation. b. Identification d’une espèce colorée Le spectre d’absorption d’une espèce dans un solvant donné à une température donnée lui est caractéristique. Le tracé du spectre d’absorption d’une espèce (A=f(λ) ou ε=f(λ)) et la comparaison de ce spectre à une banque peut permettre son identification. Remarque : on peut également comparer les longueurs d’onde correspondant aux maxima d’absorption.