I- Espèce chimique colorée

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1 Chap. 2 Couleur et quantité de matière I- Espèce chimique colorée 1- Colorants et pigments Les pigments sont des substances colorées insolubles dans le milieu qui les contient. Les colorants sont des substances solubles dans le milieu qui les contient Ils peuvent être naturels, synthétiques ou artificiels 2- Substance colorée Une solution parait colorée si elle absorbe une partie du spectre visible, les constituants absorbent une partie des radiations et se comportent comme des filtres sur le trajet de la lumière. La couleur perçue est la couleur complémentaire de la couleur absorbée. La solution de fluorescéine (jaune) absorbe le bleu; la solution de permanganate de potassium (violet) absorbe le vert; la solution de sulfate de cuivre (bleue) absorbe le rouge. 3- Séparation et identification Pour séparer et identifier les différents colorants d une substance on peu utiliser la chromatographie. Elle est basée sur la différence d'affinité d'un composant entre une phase mobile et une phase fixe. La phase mobile est un liquide ou un gaz en mouvement a travers une phase fixe, qui est liquide ou solide. Les phénomènes mis en jeu diffèrent selon les phases utilisées. On distingue ainsi les chromatographies d'adsorption, de partage, d'échange d'ions et d'exclusion. a) Chromatographie sur colonne: La phase solide remplit une colonne en haut de laquelle on dépose un échantillon de solution concentrée. La séparation des composants résulte de l'écoulement continu de l'éluant, traversant la colonne sous l'effet de la gravité. b) Chromatographie sur couche mince : La phase stationnaire est fixée sur une plaque de verre ou sur une feuille semi-rigide de matière plastique ou d'aluminium. On dépose une goutte de chaque échantillon à analyser : les constituants migrent avec la phase mobile selon leur polarité. II- Réaction chimique et bilan de matière 1- Description d'un système Le système (chimique) est l ensemble des espèces auxquelles on s intéresse. Le système est caractérisé par son état (température, pression, solide, liquide, gaz en solution aqueuse et par la quantité de matière des espèces chimiques qui le constitue. Un système chimique peut évoluer et changer d état au cours d une transformation chimique. L état initial est l état dans lequel se trouve le système avant la transformation chimique Et l état final est celui du système après la transformation. La transformation chimique est le passage d un système de l état initial à l état final. 2- Réactif limitant en excès Le réactif limitant est le réactif qui est introduit en défaut par rapport aux coefficients stœchiométriques et qui disparaît totalement au cours de la réaction ; l autre est alors le réactif en excès et il en reste à la fin de la réaction. Page 1 sur 5

2 3- Etat initial On réalise le mélange suivant : un volume V 1 = 10 ml d une solution de diiode de concentration C 1 = [I 2 ] i =1, mol.l -1 avec un volume V 2 = 20 ml d une solution de thiosulfate de sodium de concentration C 2 = [S 2 O 3 2- ] i = 2, mol.l -1 Déterminons les quantités de matière de chacun des constituants. n i (I 2 ) = n 1 = C 1 V 1 = 1, = 1, mol = 0,10 mmol n i (S 2 O 3 2- ) = n 2 = C 2 V 2 = 2, = 4, mol = 0,40 mmol 4- Au cours de la transformation a) Avancement d une réaction Lorsque les réactifs ont étés mélangés, la transformation chimique s effectue, on dit alors que la réaction «avance». On note x la quantité d un des produits formé à un instant t. L avancement x au cours d une transformation s exprime en mol et caractérise l état d un système chimique. b) Utilisation d un tableau Lorsqu on étudie quantitativement une transformation chimique on réalise un tableau d avancement. Il contient 4 lignes - la première est l équation de la réaction - la deuxième précise l état initial du système - la troisième explique l évolution du système - la dernière précise l état final, si possible c) Pendant la réaction Il s est formé x mmol de S 4 O 6 2- et 2x mol de I -. La transformation a consommé x mmol de I 2 il reste donc (0,10 x) mmol de I 2 Mais aussi elle a consommé 2x mmol de S 2 O 3 2- il reste donc (0,40 2x) mol de S 2 O 3 2- d) Courbes 5- Etat final L état final correspond à la disparition du réactif limitant On détermine alors x max l avancement maximal de la transformation, on écrit que les quantités de réactifs présents sont positives ou nulles. n(s 2 O 3 2- ) = 0,40 2x 0 x 0,20 mmol n(i 2 ) = 0,10 x 0 x 0,10 mol Ces deux inéquations sont satisfaites pour x 0,10 mmol et donc x max = 0,10 mmol A l état final : n(i 2 ) = 0,10 0,10 = 0 mmol n(s 2 O 3 2- ) = 0,40 2 0,10 = 0,20 mmol n(s 4 O 6 2- ) = 0,10 mmol n(i - ) = 0,20 mmol Page 2 sur 5

3 6- Tableau d avancement Equation I 2 (aq) + 2 S 2 O 2-3 (aq) S 4 O 2-6 (aq) + 2 I - (aq) Etat initial (mmol) 0,10 0, Au cours (mmol) 0,10 x 0,40 2 x x 2x Etat final (mmol) 0 0,20 0,10 0,20 III- Dosage de solution colorée 1- Echelle de teintes Deux solutions contenant la même substance colorante à la même concentration ont la même teinte si elles sont observées dans les mêmes conditions a) Réalisation A partir d une solution mère de concentration donnée, on réalise des dilutions pour obtenir des solutions de différentes concentrations. Ces solutions sont ensuite réparties dans des tubes à essais dans l ordre des concentrations. b) Utilisation On utilise une échelle de teinte pour connaître approximativement la concentration d une solution contenant la même substance colorante. 2- Le spectrophotomètre Pour obtenir une concentration plus précise on utilise un spectrophotomètre La lumière blanche émise par la source est décomposée par un prisme ou un réseau Une fente permet de sélectionner une gamme très étroite de longueurs d'onde. La lumière sélectionnée traverse une cuve dans laquelle est placée la solution à analyser (échantillon). Un détecteur permet de mesurer l intensité lumineuse transmise par l'échantillon à la sortie de la cuve. L appareil mesure plusieurs grandeurs, nous utiliserons l absorbance : I L'absorbance est définie par: A = - log. I 0 I est l intensité lumineuse L absorbance est nulle pour une substance transparente. Elle s'exprime sans unité. Il s'agit d'une échelle logarithmique. Le tableau ci-après regroupe quelques valeurs. Absorbance A I 0 / I I I 0 I 0 / 10 I 0 / 100 Le tableau montre que lorsque A = 2, l'échantillon ne laisse passer qu un centième de la lumière incidente. Les appareils courants sont limités à une absorbance maximale égale à 2. Page 3 sur 5

4 3- Loi de Beer Lambert a) Facteurs influant sur l absorbance - Le solvant : Le solvant peut absorber partiellement la radiation de longueur d'onde choisie. Si l'on veut connaître l'absorbance de l'espèce colorée dissoute dans le solvant, indépendamment du solvant lui-même, il est nécessaire d'effectuer un réglage du zéro, une mesure «à blanc» avec le solvant seul. - La longueur d'onde : On a montré que les solutions absorbent certaines radiations de longueur d ondes données plus que d'autres. On mesure l'absorbance A d'une solution de permanganate de potassium de concentration [MnO 4 - (aq)] = 8, mol.l -1 pour des longueurs d'onde comprises entre 400 nm et 750 nm (domaine du visible). Le tableau de valeurs obtenues permet de tracer le graphe correspondant. La courbe passe par deux maximums aux alentours de = 530 nm (dans le vert) L'absorbance est alors maximale : c'est à cette longueur d'onde que la sensibilité du spectrophotomètre est la plus grande et qu'il fournit les mesures les plus précises. - L épaisseur de solution traversée Une étude précise montre que l'absorbance A est proportionnelle à l'épaisseur l de la solution : A = K 1 l. - Concentration de l'espèce colorée La longueur d'onde choisie,, correspond au maximum d'absorbance de l'espèce colorée : pour la solution aqueuse de permanganate de potassium, max = 530 nm. On mesure ensuite l'absorbance de solutions de permanganate de potassium de plus en plus concentrées. Les mesures obtenues permettent de tracer la courbe de l'absorbance en fonction de la concentration, A = f (c). Pour des solutions suffisamment diluées, l'absorbance est proportionnelle à la concentration de l'espèce colorée A = K 1 c. L absorbance d'une solution dépend de la longueur d'onde de la radiation, de l'épaisseur de la solution traversée et de sa concentration. b) Enoncé La loi de Beer-Lambert relie l'absorbance de la solution à la concentration C de l'espèce absorbante : A =. l. C où l est l'épaisseur de la cuve traversée par le faisceau lumineux et le coefficient d'absorption molaire (dépend de la substance, de la longueur d onde et du solvant), avec : en L. mol -1.cm -1 ; l en cm ; C en mol.l -1 ; A sans unité. c) Limites de validité. La relation n'est vraie que dans certaines conditions : - la lumière doit être monochromatique - la concentration ne doit pas être trop grande - la solution doit être homogène (pas de précipité, ni de formation de gaz) - le soluté ne doit pas donner lieu à des réactions sous l'effet de la lumière incidente - le soluté ne doit pas donner d'associations variables avec le solvant. 4- Dosage a) Utilisation du spectrophotomètre On dose une solution de diiode. Le spectrophotomètre est réglé sur la longueur d'onde = 575 nm, compatible avec l'absorbance de la solution de diiode. On règle le zéro à l'aide de la solution aqueuse d'iodure de potassium (le solvant). Page 4 sur 5

5 b) Courbe d étalonnage La courbe d'étalonnage représentant les variations de l'absorbance en fonction de la concentration permet, par une simple mesure spectrophotométrique, de déterminer la concentration d'une entité chimique responsable de la couleur de la solution. Dans les conditions de l expérience (on garde le même solvant, la même substance colorée et les mêmes cuves) on aura A = k C (A sans unité, C concentration de la substance colorée en mol.l -1 et k une constante en L. mol -1 ) Cette égalité est vérifiée pour une solution colorée d'épaisseur l donnée traversée par une radiation de longueur d'onde par la loi de Beer-Lambert. La courbe d'étalonnage ci-contre représentant l'absorbance A d'une portion de solution de diiode en fonction de sa concentration c en soluté apporté s'obtient en mesurant l'absorbance, à une longueur d'onde donnée, d'une série de solutions de sulfate de cuivre de concentrations connues. On obtient la relation A 575 = k c. La valeur du coefficient directeur de la droite, k en L. mol -1 dépend de l'entité colorée présente dans la portion de solution (ici I 2 ), et de la longueur d'onde de travail (ici = 575 nm). Cette courbe permet de déterminer la concentration d'une solution de cette même entité chimique mais de concentration inconnue. On dit que l'on effectue un dosage par étalonnage. En spectrophotométrie, pour qu'une courbe d'étalonnage passe précisément par l'origine, il faut soustraire à chaque mesure de l'absorbance d'une solution, l'absorbance de la même cellule ne contenant que du solvant (faire le blanc ou le zéro). Page 5 sur 5

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