SPECTROSCOPIE UV-Visible

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1 SPECTROSCOPIE UV-Visible 1. Spectre de la lumière blanche La lumière blanche est une lumière polychromatique composée de toutes les radiations lumineuses visibles, c'est-à-dire celles dont la longueur d'onde DANS LE VIDE est comprise entre 400 et 750 (ou 800) nm. L'oeil humain est sensible à la fréquence de la radiation lumineuse reçue et associe donc à chaque fréquence une couleur différente (cette perception peut varier d ' une personne à l ' autre) On a cependant l'habitude d'associer à chaque couleur un domaine de longueur d'onde DANS LE VIDE : 2. Absorption de radiations visibles ou UV Couleur Longueur d'onde dans le vide (en nm) Rouge Orange Jaune Vert Bleu violet En 1 ère S, vous avez vu que certaines molécules organiques absorbent des radiations visibles ou UV La présence, au sein d une molécule, d un système de doubles liaisons conjuguées, crée une absorption dans le domaine UV ou visible. Une molécule organique à chaine carbonée linéaire absorbe dans le domaine UV si elle possède un système de moins de 8 liaisons doubles conjuguées. Une molécule organique à chaine carbonée linéaire absorbe dans le domaine visible si elle possède un système d au moins 8 doubles liaisons doubles conjuguées. Plus le nombre de liaisons doubles conjuguées d un système conjugué augmente, plus la longueur d onde max au maximum d absorption augmente D autres espèces chimiques ioniques (MnO 4 -, Cu 2+, ) ou moléculaires (I 2, ) absorbent également certaines radiations du domaine UV-visible. 3. Couleur d'une solution colorée Une solution est colorée si elle absorbe certaines radiations du spectre de la lumière blanche (c'est à dire certaines radiations visibles). La spectrophotométrie consiste à étudier des solutions colorées en analysant les radiations qu elles absorbent. Si la solution absorbe dans une seule gamme de longueur d'onde, la couleur de la solution est la couleur complémentaire de celle des radiations principalement absorbées. Exemple : Une solution de permanganate de potassium absorbe surtout les radiations de couleur verte : la solution est donc magenta (couleur complémentaire du vert)

2 Cercle chromatique : les couleurs opposées sur les diagrammes sont complémentaires 4. Le spectrophotomètre Le spectrophotomètre est l'appareil qui permet d ' étudier l'absorption de la lumière par une solution colorée. Il comprend en général - une source de lumière - un système (prisme ou réseau ) qui permet de disperser (décomposer) la lumière blanche - un ensemble {miroir tournant + fente} qui permet de sélectionner une radiation lumineuse de longueur d'onde, réglable - une cuve transparente qui contient la solution à étudier - un détecteur qui mesure l'intensité de la lumière transmise par la solution. On notera que la solution étudiée est toujours traversée par un faisceau de lumière monochromatique. 5. Transmittance La transmittance T ( ) de la solution pour la longueur d onde de travail choisie est définie par : T = I I 0 I 0 est l intensité lumineuse incidente (au niveau de la cuve) et I est l intensité transmise. C est une grandeur sans unité. 0 T < 1 Plus la transmittance est faible, plus la solution absorbe la lumière

3 6. Absorbance de la solution A partir de l'intensité I de la lumière transmise par la solution, le spectrophotomètre calcule l'absorbance A ( ) de la solution pour la longueur d'onde de travail choisie, définie par : A est l'absorbance de la solution (sans unité) I o ( ) est l'intensité lumineuse incidente (à l'entrée de la cuve) en W.m -2 I( ) est l'intensité lumineuse transmise (en sortie de cuve) A est une grandeur positive car I 0 ( ) > I( ). L'absorbance est nulle si la solution n'absorbe pas la lumière pour la longueur d'onde considérée. Remarque : L absorbance et la transmittance sont reliées entre elles. A = log ( 1 A ) et T = 10 T 7. Loi de Beer-Lambert L expérience montre que, pour une solution peu concentrée en espèce absorbante, l ' absorbance est proportionnelle à la largeur 1 de la cuve et à la concentration c de l'espèce absorbante (supposée unique) Ceci est traduit par la loi de Beer-Lambert : A( ) = ( ). l. c 1 est la largeur de la cuve (en général donnée en cm) c est la concentration molaire de l'espèce absorbante (en mol.l -1 ) ( ) est le coefficient d'absorption molaire de l'espèce considérée. Il dépend de la nature de l'espèce, de la nature du solvant, de la longueur d'onde utilisée et de la température. Il s exprime en L.mol -1.cm -1 Remarque: On note parfois la loi de Beer-Lambert de manière simplifiée : A = k.c Avec : A : absorbance (sans unité) c : concentration molaire de l'espèce absorbante (en mol.l -1 ) k : coefficient de proportionnalité (en L.mol' 1 ) Remarque : Si la solution étudiée contient plusieurs espèces chimiques qui absorbent la lumière pour la longueur d'onde, alors les absorbances s'additionnent. Chaque espèce a une absorbance A i telle que : A i (λ) = ε(λ). l. c L'absorbance totale est alors égale à la somme des absorbances partielles : A = A i = ε i (λ). l. c i i i

4 8. Utilisation du spectrophotomètre 8.1. Réglage du zéro Pour ne mesurer que l'absorbance due à l'espèce colorée, on doit tenir compte de l'absorption due à la cuve et au solvant. Pour cela, on effectue le réglage du zéro du spectrophotomètre : on remplit la cuve de solvant et on impose une absorbance nulle pour toutes les longueurs d'onde Spectre d'absorption Le spectre d'absorption d'une espèce colorée est la courbe A = f ( ) qui donne l'évolution de l'absorbance en fonction de la longueur d'onde de la lumière utilisée. Si par la suite on souhaite étudier l'influence d'un autre paramètre (comme la concentration molaire), on sélectionne, au niveau du spectrophotomètre, la longueur d'onde max pour laquelle l'absorbance de la solution est maximale. Ce choix permet d'améliorer la précision des mesures. En effet : - Pour une même incertitude sur la longueur d'onde sélectionnée, l'incertitude sur l'absorbance est plus faible au maximum d'absorption - De plus, au maximum d'absorption, la pente de la droite A = k.c est maximale, ce qui minimise l'incertitude sur la détermination de c (voir étalonnage ci-dessous)

5 8.3. Etalonnage L'étalonnage du spectrophotomètre consiste à déterminer la relation entre l'absorbance A d'une espèce colorée et sa concentration molaire. Pour cela, on prépare une série de solutions de même nature mais de concentrations différentes (échelle de teinte), puis on mesure leurs absorbances pour une même longueur d'onde (voir ci-dessus pour le choix de la longueur d'onde) La courbe A = f ( c) constitue la droite d'étalonnage du spectrophotomètre. Elle permet : - de vérifier la validité de la loi de Beer-Lambert et de déterminer la valeur des constantes k et ( ). Pour cela, on modélise les résultats expérimentaux à l aide d un logiciel (type Latis Pro : modélisation par une fonction linéaire) ou d une calculatrice (régression linéaire). On peut également tracer la courbe sur papier millimétré, tracer à la règle la droite moyenne et calculer son coefficient directeur. - de déterminer la concentration C S d'une solution de concentration inconnue en mesurant son absorbance A S (principe du dosage par étalonnage). La détermination de la concentration peut s effectuer graphiquement ou par calcul (en utilisant le résultat de la modélisation évoquée ci-dessus)

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