TP C3 : SPECTROPHOTOMETRIE

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1 TP C3 : SPECTROPHOTOMETRIE Capactés exgbles : Etalonner et utlser un spectrophotomètre en s adant d une notce. Mettre en œuvre une démarche expérmentale pour détermner la valeur d une constante d équlbre en soluton aqueuse. Dosages spectrophotométrques par étalonnage : détermner une concentraton en explotant la mesure de grandeurs physques caractérstques du composé ou en construsant et en utlsant une courbe d étalonnage. Pratquer une démarche expérmentale pour détermner une concentraton ou une quantté de matère par spectrophotométre UV-vsble. Mettre en œuvre une méthode de suv temporel. Exploter les résultats d un suv temporel de concentraton pour détermner les caractérstques cnétques d une réacton. Etablr une lo de vtesse à partr du suv temporel d une grandeur physque. Proposer et mettre en œuvre des condtons expérmentales permettant la smplfcaton de la lo de vtesse. Défnton de l absorbance : I0 = ntensté lumneuse ncdente monochromatque sur une cuve de longueur l I = ntensté lumneuse sortant de la cuve I0 cuve I l L absorbance est par défnton A = log I I0. Généraltés sur les spectres d absorpton : Les électrons d une molécule occupent des nveaux d énerge et l y a, au-dessus, des nveaux d énerge possbles vdes. Lorsqu on fournt l énerge nécessare sous forme de lumère par exemple, certans photons sont absorbés car ls provoquent une transton d électrons d un nveau occupé vers un nveau possble vde. E transton E2 possble vde E occupé On a E 2 E = h f = h c avec h la constante de Planck, c la vtesse de la lumère et la longueur d onde absorbée. La réalté est complquée car pour les molécules (ou ons) en soluton, l y a des nveaux d énerge possbles regroupés en bandes d énerge et on a des groupes de longueurs d onde absorbées.

2 E nveaux possbles vdes spectre: absorpton f f2 nveaux occupés 0 f f2 f Len entre spectre d absorpton et couleur de la soluton : Il y a un rapport entre les radatons absorbées et la couleur observée : on vot la couleur complémentare de la couleur absorbée : ( nm ) UV IR Couleur absorbée bleu vert jaune rouge Couleur complémentare jaune rouge bleu vert Lo de Beer-Lambert : A = ε λ l C où ε est le coeffcent d absorpton (ou d extncton) molare de l espèce (ce coeffcent dépend de la longueur d onde), l est la longueur de la cuve, et C est la concentraton de l espèce. S ε λ 0, l espèce n absorbe pas la radaton λ. S ε λ 0, l espèce absorbe la radaton λ. Cette lo n est valable que s les concentratons ne sont pas trop mportantes. En effet, s les concentratons devennent trop grandes, certans ons ou molécules seront «cachés» par d autres, donc l absorbance augmentera mons vte que la concentraton, comparé au cas de soluton peu concentrées. Applcatons de la spectrophotométre : Grâce à la spectrophotométre, on peut par exemple tracer des spectres d absorpton, effectuer des dosages, ou ben encore suvre la cnétque d une réacton chmque. Matérel dont nous dsposons au laboratore : Au laboratore, nous dsposons de deux spectrophotomètres dfférents. Selon les bnômes, vous travallerez sur l un ou l autre. Dans les deux cas, tous les relevés d absorbance dovent être fats «manuellement», pus tratés sur Excel. - Avec l un des spectrophotomètres (que l on appellera n ), seuls tros boutons sont à utlser : «set ref» (pour fare le blanc), et «wavelength +» et «wavelength -» pour changer la longueur d onde. - Avec l autre (que l on appellera n 2), la notce sera fourne. Consels pratques : - Remplr les cuves envron aux tros-quarts. - Ne toucher les cuves que sur les faces strées ou dépoles, pas sur les côtés transparents (des traces de dogts pourraent dffuser la lumère dans toutes les drectons). - Mettre les cuves correctement dans le spectrophotomètre : l faut que la lumère traverse les côtés transparents des cuves.

3 I) Spectre d absorpton et pka d un ndcateur coloré : ) Rappel : Un ndcateur coloré est un couple acde InH / base In - de couleurs dfférentes. Il est ms en fable quantté et «subt» le ph de la soluton. InH pka In- ph 2) Manpulaton : Dans une fole de 50 ml, mettre ml (exact) de la soluton de BBT et compléter avec le solvant S. Tracer les spectres (graphes A = f ()) des solutons pour : - S = soluton 0, mol.l - en acde sulfurque - S = soluton 0, mol.l - en soude - S = soluton tampon ph0 = 7. On superposera les dfférents spectres sur un même graphe. Consels pratques : Avant de fare chaque mesure, l faut régler l absorbance à zéro (bouton «set ref» pour le spectrophotomètre n ) avec une cuve remple d eau dstllée (car l eau dstllée est ncolore et n absorbe pas la lumère). A chaque fos que vous changez la longueur d onde, vous devez recommencer l étalonnage. Je vous conselle donc, pour gagner du temps, de tracer les tros courbes smultanément, et pas successvement. On tracera les spectres pour allant de 350 à 750 nm de 25 en 25 nm. 3) Explotaton : - Explquer le len entre l allure des spectres et les couleurs des solutons. - Détermner expérmentalement le pka de l ndcateur BBT. Pour cela, on montrera qu à fxée, on a : A(pH0 ) - A(acde) pka = ph0 - log. A(basque) - A(pH0 ) Fare une moyenne sur vos dfférentes mesures, en élmnant éventuellement certanes valeurs correspondant à des ponts de mesure de l absorbance trop proches les uns des autres. En dédure une valeur expérmentale de pka. Commenter. - Montrer que les tros courbes dovent être concourantes. Le constater sur votre graphe.

4 II) Dosage spectrophotométrque par étalonnage : ) Poston du problème : On veut détermner expérmentalement la concentraton massque en permanganate de potassum (K + + MnO4 - ) contenu dans une soluton de Dakn (antseptque vendu en pharmace). On suppose que dans la soluton de Dakn, seul le permanganate de potassum absorbe la lumère. D après la lo de Beer-Lambert, l absorbance de la soluton est alors proportonnelle à la concentraton en permanganate de potassum. On va effectuer un dosage par étalonnage. 2) Manpulaton : On se place à 540 nm (longueur d onde correspondant au maxmum d absorbance d une soluton de permanganate de potassum). Fare le zéro avec de l eau dstllée. Mesurer l absorbance A pour des solutons étalons de permanganate de potassum de concentratons C = 2,5.0-5 mol.l - ; 5,0.0-5 mol.l - ; 7,5.0-5 mol.l - ;,0.0-4 mol.l -. Mesurer l absorbance de la soluton de Dakn. 3) Explotaton : Grâce aux mesures sur les solutons étalons, tracer le graphe A = f (C). Modélser par une drote passant par l orgne. En dédure la concentraton molare, pus la concentraton massque, en permanganate de potassum dans la soluton de Dakn. Sur l étquette du flacon de la soluton de Dakn, on peut lre que la concentraton en permanganate de potassum est égale à 0,0 g.l -. Conclure. Données : M(K) = 39 g.mol - ; M(Mn) = 55 g.mol - ; M(O) = 6 g.mol -

5 III) Suv cnétque d une réacton chmque par spectrophotométre : ) Poston du problème : On étude l oxydaton de l on méthanoate par l on permanganate : 2 MnO HCOO - + H2O 3 CO2 + 2 MnO2 + 5 OH - On souhate détermner l ordre partel relatf aux ons permanganate. Pour cela, on sut l évoluton de l absorbance en foncton du temps à 540 nm (longueur d onde correspondant au maxmum d absorbance d une soluton de permanganate de potassum). On n oublera pas de fare le zéro avec de l eau dstllée. 2) Manpulaton : Dans un bécher, ntrodure 5 ml d une soluton d acde méthanoïque à la concentraton 0, mol.l - et 50 ml d une soluton d hydrogénophosphate de sodum à la concentraton 0,04 mol.l -. Ajouter 0,5 ml d une soluton de permanganate de potassum à la concentraton 0,03 mol.l -. Agter. Mettre dans la cuve du spectrophotomètre. Noter l absorbance toutes les 20 secondes pendant envron 0 mn (en fat tant que l absorbance décroît). Consels pratques : On peut déclencher le chronomètre au moment où on ntrodut le permanganate de potassum, ou ben au moment où on ntrodut la cuve dans le spectrophotomètre, ça n a aucune mportance (ça aura juste pour effet une translaton de la courbe). On suppose que seules les espèces MnO4 - et MnO2 absorbent la lumère. On s attend alors à ce que l absorbance tende vers une valeur A. Mas expérmentalement, on constate qu au bout d un certan temps (envron 0 mn), l absorbance augmente très légèrement. Cela s explque par le fat qu au bout d un certan temps, MnO2 est en quantté mportante. Or, c est un composé très peu soluble, et de très fnes partcules exstent alors en suspenson dans la cuve de mesure, fasant augmenter très légèrement l absorbance. Dès que l absorbance augmente, l faut alors arrêter de prendre des mesures, et extrapoler la valeur de A. 3) Explotaton : Quelle est la méthode utlsée c pour détermner l ordre partel relatf au permanganate? On suppose que seules les espèces MnO4 - et MnO2 absorbent la lumère. S l ordre partel relatf aux ons permanganate est 0, montrer que [MnO4 - ] est une foncton affne du temps, et que ( A - A ) est une foncton affne du temps. S l ordre partel relatf aux ons permanganate est, montrer que ln [MnO4 - ] est une foncton affne du temps, et que ln ( A - A ) est une foncton affne du temps. S l ordre partel relatf aux ons permanganate est 2, montrer que est une foncton affne du - [MnO4 ] temps, et que est une foncton affne du temps. A - A Tracer les graphes ( A - A ), ln ( A - A ) et en foncton du temps. Conclure quant à l ordre A - A partel relatf au permanganate. Détermner la constante de vtesse apparente de cette réacton.