Thème : Solutions colorées. Spectres d absorption et couleurs

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1 Thème : Solutions colorées Questions types Spectres d absorption et couleurs Durée prévue : 10 minutes Note sur : 4 points Absorbance La couleur perçue d une solution colorée est issue de la synthèse soustractive de la lumière Interpréter la couleur d un mélange obtenu à partir de matières colorées. Interpréter un spectre d absorption pour déterminer la couleur d une solution (et vice-versa) La courbe d'absorbance A = f(λ) d'une solution S a et obtenue à l'aide d'un spectrophotomètre. 1. a. Quelles sont les plages de longueur d'onde absorbée par la solution S : petites, moyennes ou grandes longueurs d'onde (respectivement autour du bleu, du vert ou du rouge)? b. En déduire la couleur de la solution S. 2. Voici les spectres d'absorption de trois solutions A, B et C de couleurs différentes. Lequel correspond à la courbe d'absorbance ci-dessus? 3. a. De quelle couleur apparaît un mélange des solutions B et C? b. On verse une troisième solution colorée dans ce mélange : il apparaît alors noir. De quelle couleur peut être la solution utilisée? Correction et évaluation 1. a.les longueurs d ondes moyennes (vertes) sont absorbées par la solution S. b. La solution S est magenta, la couleur complémentaire du vert. 2. Le spectre A correspond le mieux à la courbe d absorbance (absorption la plus importante autour du vert). La solution B absorbe dans le bleu et la solution C dans le rouge. Le mélange absorbe donc le bleu u et le rouge et transmet les radiations autour du vert : il est vert. 4 ; Il suffit de verser une solution qui absorbe dans le vert, par exemple la solution A qui est magenta TOTAL EXERCICE sur 4points (magenta) (compl) (réponse) (justif) (réponse) (justif)

2 Questions types Spectres d absorption et couleurs 2 Durée prévue : 5 minutes Note sur : 3 points Absorbance La couleur perçue d une solution colorée est issue de la synthèse soustractive de la lumière Interpréter la couleur d un mélange obtenu à partir de matières colorées. Interpréter un spectre d absorption pour déterminer la couleur d une solution (et vice-versa) L'absorbance A d'une solution est une grandeur mesurant sa capacité à absorber la lumière incidente à une longueur d'onde donnée. Voici la courbe d'absorbance A = f(λ) d'une solution de sirop. 1. Quelles sont les plages de longueur d'onde absorbée par la solution : les petites, moyennes ou grandes longueurs d'onde (respectivement autour du bleu, du vert ou du rouge)? 2. Prévoir la couleur de la solution. S agit-il de synthèse soustractive ou additive? 3. On donne ci-dessous les spectres d'absorption de deux solutions de couleurs différentes. Quel spectre correspond à la courbe d'absorbance ci-dessus? Correction et évaluation 1a.Les longueurs d ondes moyennes (vertes) sont absorbées par la solution S. b. La solution S est magenta, la couleur complémentaire du vert. Il s agit de synthèse soustractive 2. Le spectre A correspond le mieux à la courbe d absorbance (absorption la plus importante autour du vert). TOTAL EXERCICE sur 3 points (magenta) (compl) (soustra) (réponse) (justif)

3 Questions types Le sirop de menthe Durée prévue : 25 minutes Note sur : 9 points Absorbance La couleur perçue d une solution colorée est issue de la synthèse soustractive de la lumière Relation de Beer-Lambert Tracer un graphe Utiliser une démarche expérimentale pour déterminer la concentration d'une espèce colorée à partir d'une courbe d'étalonnage en utilisant la loi de Beer-Lambert L étiquette d un sirop de menthe indique qu il contient deux colorants : E102 (tartrazine) et E131 (bleu patenté). L étiquette n indique pas leur concentration. Des élèves décident de les déterminer en utilisant un spectrophotomètre. Dans un premier temps, ils réalisent le spectre d absorption de chaque colorant (voir figure ci-jointe). 1. En utilisant ces spectres, déterminer la couleur de la tartrazine. Justifier. Pour chaque colorant, les élèves font une gamme étalons de solutions par dilutions d une solution mère. Puis ils mesurent l absorbance de chaque solution à la longueur d onde λ = 450 nm pour la gamme réalisée avec les solutions de E Justifier le choix de la longueur d onde 3. Montrer qu il est possible de travailler à cette longueur d onde avec le sirop de menthe pour déterminer la concentration en tartrazine seulement. 4. Les élèves obtiennent le tableau suivant : Numéro de la solution Concentration 10 12, massique (mg.l -1 ) A 450 0,26 0,41 0,5 0,61 0,83 1,00 Les élèves ont préparé 50 ml de la solution 1 par dilution en prélevant 10,0 ml de la solution 5. a. Comment nommer la verrerie de volume 50 ml utilisée ici? Même question pour les 5 ml? b. Calculer la concentration massique de la solution 1 en justifiant. c. Sur un graphe, représenter l absorbance en fonction de la concentration massique en utilisant l échelle suivante : 1cm pour 0,1 en absorbance et 1cm pour 2 mg/l en concentration massique. d. Quelle loi est ainsi vérifiée? Justifier. e. Les élèves mesurent pour le sirop de menthe une absorbance à cette même longueur d onde de 0,51. Quelle est la concentration massique de la tartrazine dans le sirop de menthe?

4 Correction et évaluation 1. Sur le spectre d absorption, on observe une absorbance maximale pour λ max = 425 nm. Cela correspond, d après l étoile des couleurs, à «violetrouge» dont la couleur complémentaire est «jaune-vert». La solution de tartrazine est donc jaune-verte. 2. Les élèves se placent aux alentours de λ max pour faire leur mesure. En λ max complémentaire effet, la précision sera optimale. 3. A cette longueur d onde, le bleu patenté a une absorbance quasi-nulle. La mesure effectuée à cette longueur sur le sirop de menthe qui contient les deux espèces ne prendra en compte que la tartrazine ml dans une fiole jaugée et 10,0 ml dans une pipette jaugée. 5. Les élèves ont réalisé une dilution : CmVm = CfVf. On cherche Cf = CmVm/Vf = 25x10/50 = 250/50 = 5 mg/l 6. Graphe relation AN échelle respectée Ordonnée/abscisse Points bien placés droite Le graphe représente une droite passant par l origine. Il y a donc proportionnalité entre A et C. C est la loi de Beer-Lambert droite origine Beer-Lambert 8. Par lecture graphique : C = 12,7 mg/l Résultats sans unité ou avec une unité incorrecte - 0,5 TOTAL EXERCICE sur 9 points

5 Questions types La caféine Durée prévue : 20 minutes Note sur : 8 points Absorbance La couleur perçue d une solution colorée est issue de la synthèse soustractive de la lumière Relation de Beer-Lambert Tracer un graphe Déterminer l équation d une droite correspondant à des points expérimentaux Utiliser une démarche expérimentale pour déterminer la concentration d'une espèce colorée à partir d'une courbe d'étalonnage en utilisant la loi de Beer-Lambert Afin de déterminer la concentration en caféine dans deux tasses de café de provenances différentes, notées boisson 1 et boisson 2, on extrait la caféine des feuilles de thé et, avec la caféine purifiée, on prépare des solutions de caféine de différentes concentrations massique C : 4,0 mg.l -1 ; 8,0 mg.l -1, 12,0 mg.l -1 et 16,0 mg.l -1 On a tout d'abord réalisé le spectre d'absorption ci-joint de la caféine entre 220 nm et 320 nm pour une des solutions de caféine. 1. À quel domaine appartiennent ces longueurs d'onde? 2. On veut tracer la courbe d'étalonnage A = f(c) de la caféine à l'aide des différentes solutions précédemment préparées. Pour cela, à quelle longueur d'onde doiton régler le spectrophotomètre? Justifier. 3. Que doit-on faire avec le spectrophotomètre avant de réaliser les mesures? 4. Quel volume de solution mère a-ton du prélever pour réaliser 100 ml de la solution de concentration massique 8,0 mg. L -1 à partir de celle de concentration massique 16 mg.l -1. Justifier. A 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, C (mg/l) À l'aide de ces mesures, on obtient la courbe A= f(c) 5. Quelle loi est vérifiée? Justifier. 6. Ecrire l équation de la droite d étalonnage. Préciser l unité de son coefficient directeur. 7. Sans changer les réglages du spectrophotomètre, on mesure les absorbances des boissons 1 et 2. On trouve A 1 = 0,17 pour la boisson 1 et A 2 = 0,53 pour la boisson 2. Quel est le café le plus excitant pour le consommateur? Justifier en donnant les concentrations en caféine des deux boissons.

6 Correction et évaluation 1. Les longueurs d onde sont inférieures à 400 nm : il s agit donc des ultraviolets. 1. Il faut se placer aux alentours de λ max pour faire leur mesure. En effet, la précision sera optimale. Ici, il faut se placer à 271 nm. 2. Avant la mesure, il faut faire le «réglage du zéro» en mettant une cuve pleine de solvant ; le blanc dans le spectrophotomètre et en réglant l absorbance à zéro. 3. On réalise une dilution : CmVm = CfVf. On cherche Vm = CfVf/Cm = 8x100/16 = 100/2 = 50 ml relation AN 4. Le graphe représente une droite passant par l origine. Il y a donc proportionnalité entre A et C. C est la loi de Beer-Lambert 5. A et C sont proportionels. Le coefficient de proportionnalité est le coefficient directeur de la droite. On prend le point 0 et le point (10, 0, 3) par exemple. K = 0,3/10 = L/mg. On a donc A = C 6. Pour déterminer les concentrations, on peut utiliser le graphe ou l équation. On trouve : C 1 = 6 mg/l et C 2 = 16 mg/l. Le café 2 est plus concentré en caféine : il est le plus excitant. droite origine Beer-Lambert Equation proportionnalité coeff dir unité méthode C 1 C 2 + excitant Résultats sans unité ou avec une unité incorrecte - 0,5 TOTAL EXERCICE sur 8 points

7 Questions types Dosage par étalonnage d une solution de diiode Durée prévue : 30 minutes Note sur : 7,5 points Absorbance La couleur perçue d une solution colorée est issue de la synthèse soustractive de la lumière Relation de Beer-Lambert Tracer un graphe Déterminer l équation d une droite correspondant à des points expérimentaux Utiliser une démarche expérimentale pour déterminer la concentration d'une espèce colorée à partir d'une courbe d'étalonnage en utilisant la loi de Beer-Lambert On réalise le spectre d une solution de diiode à l aide d un spectrophotomètre. On obtient la courbe suivante : 1. Déterminer la couleur est cette solution 2. On veut tracer la courbe d'étalonnage A = f(c) du diiode à l'aide des différentes solutions précédemment préparées. Pour cela, à quelle longueur d'onde doit-on régler le spectrophotomètre? Justifier. 3. Quel volume de solution mère a-t-on du prélever pour réaliser 100 ml de la solution de concentration massique 8,0 mg. L -1 à partir de celle de concentration massique 16 mg.l -1. Justifier. Donner le protocole de préparation de la solution A l aide d un spectrophotomètre, on mesure l absorbance de plusieurs solutions de diiode de concentrations différentes. On trace le graphe de l absorbance en fonction de la concentration. On obtient la courbe suivante :

8 4. Quelle loi est vérifiée? Justifier. 5. Ecrire l équation de la droite d étalonnage. Préciser l unité de son coefficient directeur. 6. Sans changer les réglages du spectrophotomètre, on mesure l absorbance d une solution inconnue de diiode. On trouve A = 0,60. Quelle est la concentration en diiode de cette solution. Justifier en expliquant la méthode. Correction et évaluation 1. Pour cette solution, la longueur d onde pour laquelle la solution absorbe un maximum est λ max = 440 nm. La couleur complémentaire est le orange. La solution de diiode est donc orange. 2. Il faut se placer aux alentours de λ max pour faire leur mesure. En effet, la précision sera optimale 3. On réalise une dilution : CmVm = CfVf. On cherche Vm = CfVf/Cm = 8x100/16 = 100/2 = 50 ml Protocole de dilution 4. Le graphe représente une droite passant par l origine. Il y a donc proportionnalité entre A et C. C est la loi de Beer-Lambert 5. A et C sont proportionels. Le coefficient de proportionnalité est le coefficient directeur de la droite. On prend le point 0 et le point (3,1) par exemple. K = 1/3 = 3, L/mmol. On a donc A = 3, C relation AN droite origine Beer-Lambert Equation proportionnalité coeff dir unité 6. Pour déterminer les concentrations, on peut utiliser le graphe ou l équation. On trouve : C 1 = 1,7 mmol/l Résultats sans unité ou avec une unité incorrecte - 0,5 TOTAL EXERCICE sur 7,5 points méthode C 1

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