TP 05 : Spectre visible d une espèce colorée Spectres IR

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1 TP 05 : Spectre visible d une espèce colorée Spectres IR Ce TP s étale sur une séance de 2 heures (spectre visible), puis une séance d 1 heure (spectre infrarouge). Objectifs : - Identifier un colorant par spectrophotométrie. - Savoir utiliser un spectrophotomètre dans le visible. - Utiliser un logiciel présentant des spectres IR, pour déterminer des groupes caractéristiques. Compétences travaillées : - Mettre en œuvre un protocole expérimental pour caractériser une espèce colorée. - Savoir exploiter un spectre IR. - Obtenir et exploiter des spectres UV-visible. Matériel élève (en salle A020) : - Agitateur magnétique chauffant + barreau aimanté - Balance grise de pesée à 0,1 g - Bécher 250 ml, erlenmeyer 250 ml - Support en bois, entonnoir, papier filtre - 3 petits béchers + 3 fioles jaugées 100 ml - Jeu de pipettes jaugées : 5 ml, 10 ml + propipette rouge - Eau distillée - Ordinateur + Orphy GTS + logiciels SpectroCCD et Specamp Matériel (au bureau) : - 3 fioles : solutions de colorants «bleu patenté», «bleu indigo», «bleu brillant» de concentration connue - Cuves pastique + sachet de diapositives vertes et noires (pour spectrophotomètres) - Pipettes pasteur - 2 couteaux, 2 paires de ciseaux, Paquet de bonbons Schtroumpf I. Spectres visibles d espèces chimiques colorées Objectif : on utilise un spectrophotomètre sensible à la lumière visible [400 nm ; 750 nm] pour déterminer quel est le colorant alimentaire qui compose les bonbons Schtroumpf. Investigation : Quel est le colorant bleu présent dans un bonbon schtroumpf? Quelle masse de ce colorant est contenue dans le bonbon (et son pourcentage massique)? Quel nombre maximal de bonbons une personne de 60 kg peut-elle ingérer par jour? Pour répondre aux trois questions précédentes : - Vous analyserez le tableau de données des trois principaux colorants alimentaires employés en Europe. - Vous établirez un protocole opératoire, que vous soumettrez au professeur, avant toute expérimentation. - Vous vous appuierez sur la fiche-méthode d utilisation du spectrophotomètre sous Orphy. - Vous réalisez vos mesures et les interpréterez. - Vous répondrez à la problématique posée. Analyse spectrale - Chapitre 5 TP Spectre visible d une espèce colorée, spectres IR Page 1

2 Fiche méthode : utilisation du spectrophotomètre sous Orphy GTS Un spectrophotomètre est un appareil de laboratoire qui permet de mesurer l intensité de la lumière transmise par une solution colorée transparente. Il permet de tracer des courbes d analyses spectrales (absorbance en fonction de la longueur d onde) utilisées pour étudier la composition de solutions, de déterminer la concentration de solutions ou de suivre l apparition d une espèce chimique colorée au cours du temps Le spectrophotomètre mesure l intensité lumineuse du faisceau de lumière incidente (I 0 ) et celle du faisceau de lumière transmise (I t ) (voir schéma ci-dessous). Le spectrophotomètre calcule alors l absorbance A de la solution : Faisceau de lumière incidente d intensité lumineuse I 0 Faisceau de lumière transmise d intensité lumineuse I Cuve contenant la solution L absorbance A est un nombre sans unité : log I 0 A et qui caractérise la solution. Elle doit être comprise I entre 0,1 et 2 unités pour être détectée par l appareil. La concentration molaire des solutions ne doit pas être supérieure à 10-4 mol.l -1 L absorbance d une espèce colorée X en solution obéit à la loi de Beer-Lambert : A.. l C Son absorbance A est proportionnelle à sa concentration C (en mol.l -1 ). (ε est le coefficient d extinction molaire en L.mol -1 cm -1 ; l est la largeur de la cuve en cm). Pour tracer des courbes spectrales, on ouvre le logiciel libre d acquisition SpectroCCD. 1. Etalonnage du spectrophotomètre : - La fenêtre Etalonnage du spectrophotomètre s ouvre automatiquement. - On fait le «blanc» : on place une cuve contenant le solvant (eau distillée) dans l emplacement réservé, puis on clique sur Référence. - On insère la diapositive noire (opaque) puis on clique sur Noir. - On remplace la diapositive noire par la verte, et on clique sur Vert. Puis Fermer. 2. Mesure de l absorbance de la solution diluée (obtention d un spectre) : - On place la cuve contenant la solution colorée diluée. On clique en haut à droite sur Mode, puis Spectre. - On lance l acquisition. Le spectre apparaît instantanément. - On peut envoyer le spectre sur Regressi pour l afficher et le traiter. Tableau de données sur les colorants alimentaires bleus Colorant Bleu patenté E131 Indigo E132 Bleu brillant E133 DJA (mg.kg -1.jour -1 ) 2,5 5,0 10,0 Masse molaire (g.mol -1 ) L Union Européenne fixe, pour tous les colorants alimentaires, des valeurs de dose journalière admissible (DJA). Voici les DJA, en mg de produit absorbé par kg de masse corporelle, et par jour. Analyse spectrale - Chapitre 5 TP Spectre visible d une espèce colorée, spectres IR Page 2

3 Protocole opératoire (avec schémas si nécessaire) : Mesures et conclusions : Analyse spectrale - Chapitre 5 TP Spectre visible d une espèce colorée, spectres IR Page 3

4 II. Spectres infrarouges d espèces chimiques incolores Objectif : Exploiter un spectre infrarouge (spectre IR) pour identifier des groupes caractéristiques (liaisons chimiques) dans une molécule. La spectroscopie IR utilise l absorption, en phase gazeuse, de longueurs d onde infrarouges par certains groupes caractéristiques. On utilise le logiciel libre SPECAMP. Ouvrir ce logiciel. II.1. Lecture d un spectre infrarouge Dans le menu Spectroscopie IR, Charger un spectre IR, puis en haut à droite, ouvrir le dossier. 1) Ouvrir le cyclohexane (alcane) Se placer tout d abord entre 4000 et 1500 cm -1 ressembler à celui-ci. (sélectionner avec la souris). Le spectre doit alors On identifie un pic majeur orienté vers le bas (entouré ci-dessus). 1. Quelles sont les grandeurs en abscisse? En ordonnée? Quelles unités? 2. Quelle est la particularité de l axe des abscisses? 3. Expliquer pourquoi les pics sont orientés vers le bas. 2) Charger ensuite le méthoxyméthane (autres / ether diéthylique) 4. Quelle est la bande d absorption commune aux deux molécules? Analyse spectrale - Chapitre 5 TP Spectre visible d une espèce colorée, spectres IR Page 4

5 5. Comment expliquer la présence d une deuxième bande pour la seconde molécule? II.2. Comparaison de quatre spectres On va étudier quatre molécules appartenant à quatre familles chimiques différentes. Dans le menu Spectroscopie IR, Comparaison de spectres ne faire l étude qu entre 4000 et 1500 cm -1 En bas de page, ajouter les spectres suivants : - Le propane (dans alcane) - Le propanal (dans «C=O») - Le 3-chloro-propène (dans «C = C») - Le propanol (dans OH) Cocher Nom de la molécule. 6. A quoi correspondent les limites du nombre d onde σ d étude? (Convertir en nm et justifier le domaine IR.) En spectroscopie IR chaque bande d absorption correspond à la vibration ou la rotation d une liaison particulière. 7. Identifier la nature de la liaison responsable de la bande d absorption commune aux quatre spectres. 8. Associer ensuite pour chaque liaison (C-H, C=O, C=C, O-H), la valeur du nombre d onde correspondant à chaque absorption. II.3. Comparaison de deux isomères Dans le menu Spectroscopie IR, Comparaison de spectres, Se placer encore entre 4000 et 400 cm -1 (ne rien sélectionner!). On affiche les spectres du butan-1-ol et du butan-2-ol, deux alcools isomères, pris en phase liquide. 9. Quels sont les points communs / différences entre ces deux spectres? 10. Que peut-on extraire comme informations, quand on se déplace au-delà des 1500 cm -1? 11. Comment peut-on mettre en évidence une interaction entre l échantillon (alcool) et le solvant (phase liquide)? Quelle est cette interaction qui modifie la bande d absorption attribuée à O-H? Analyse spectrale - Chapitre 5 TP Spectre visible d une espèce colorée, spectres IR Page 5

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