Spectrophotométrie - Dilution 1 Dilution et facteur de dilution. 1.1 Mode opératoire :

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1 Spectrophotométrie - Dilution 1 Dilution et facteur de dilution. 1.1 Mode opératoire : 1. Prélever ml de la solution mère à la pipette jaugée. Est-ce que je sais : Mettre une propipette sur une pipette sans être un danger public (tenir la pipette au boût, au niveau où on positionne doucement la propipette). Ne pas souiller une solution (pipeter dans un deuxième bécher et non comme un souillon dans la solution mère?) Me tenir debout. Tenir la pipette verticale. Assurer avec mes deux mains la pipette, la propipette et le bécher à chaque instant. Qu il ne faut jamais mettre de liquide dans la propipette (qu il ne faut pas laisser un système «pipette-propipette» incliné avec un angle supérieur ou égal à 90 ; au passage, la propipette ne doit pas être laissée sur la pipette lorsque la pipette est posée sur la paillasse). Avoir mes yeux au niveau du liquide? Qu il faut lire au bas du ménisque. Qu il faut ajuster le volume en faisant couler le liquide «par capillarité» (incliner le bécher de 45, laisser la pipette verticale, le niveau du liquide à hauteur des yeux) Que certaines pipettes jaugées sont des pipettes 2 traits. 2. erser ce prélèvement dans la fiole jaugée. Est-ce que je sais : Que la dernière goutte doit couler par capillarité. 3. Compléter au trait de jauge avec le solvant. Est-ce que je sais : Que l on a le droit d ouvrir une pissette d eau distillée pour remplir plus rapidement la fiole jaugée. Qu il faut s arrêter 1 cm avant le trait de jauge, et finir de compléter avec la pipette pasteur (en prélevant l eau distillée dans un bécher, et non directement dans la pissette comme un souillon). 4. Agiter pour homogénéiser. Est ce que je sais : Qu il faut ici utiliser un bouchon propre pour la fiole jaugée. Qu il ne faut pas agiter sauvagement, pour éviter en particulier des émulsions dans certains cas. 1.2 Calcul théorique Exemple : solution mère à C mère = 0,50 mol.l -1. prélevé à mère = 20,0 ml (volume de la pipette jaugée) fille = 50,0 ml (volume de la fiole jaugée) Alors la quantité de matière prélevée à la solution mère se retrouve dans la solution fille : le facteur fille mère (on dilue ici 2,5 fois ) Ce rapport vaut donc aussi C mère prélevé à mère = C fille fille. D où C fille = C mère mère est appelé «facteur de dilution», et vaut ici 2,5 C C fille Utilisation du «facteur de dilution». Si on a une solution mère à C mère = 0,50 mol.l -1 et que l on veut une solution fille à 0,010 mol.l -1, le facteur de dilution vaut 50 : il faut donc diluer 50 fois : mère fille, il vient C fille = 0,20 mol.l -1. PCS Page 1 sur 5

2 Soit on prélève 1,0 ml de mère que l on place dans une fiole jaugée de 50,0 ml compléter au trait de jauge avec le solvant, Soit on prélève 2,0 ml de mère que l on place dans une fiole jaugée de 100,0 ml compléter au trait de jauge avec le solvant, Soit on prélève 5,0 ml de mère que l on place dans une fiole jaugée de 250,0 ml compléter au trait de jauge avec le solvant, Et on s arrange pour pouvoir garder expérimentalement une précision suffisante (ici, la 3 e méthode est satisfaisante, mais consomme beaucoup d eau distillée. On préfèrera pour diluer 50 fois : diluer 5 puis diluer 10 Diluer 5 : prélever 10,0 ml de mère que l on place dans une fiole jaugée de 50,0 ml compléter au trait de jauge. Puis diluer 10 : prélever 10,0 ml de la solution précédente que l on place dans une fiole jaugée de 100,0 ml. 1.3 isualisation d une dilution et du facteur de dilution Concentration (solution mère) Concentration (solution fille) olume de la fiole jaugée utilisée olume de la solution mère prélevé à la pipette. Facteur de dilution 1, mol.l -1 5, mol.l ml 2,5 ml 20 1, mol.l -1 4, mol.l ml 5, mol.l -1 1, mol.l ml 2, mol.l -1 4, mol.l ml Solution mère (concentration C1) Diluer 2 fois Diluer 5 fois OU 2) Solvant rajouté jusqu au trait de jauge de la fiole 1) Solution mère (C1) (prélevée à la pipette) 1/2 du volume de la fiole jaugée 2) Solvant rajouté jusqu au trait de jauge de la fiole 1) Solution mère (C1) (prélevée à la pipette) 1/5 du volume de la fiole jaugée 1, mol.l -1 2, mol.l -1 Dilution facteur 5 à partir de 1, , mol.l -1 mol.l -1 Dilution facteur 8 à partir de la solution précédente Dilution facteur 4 à partir de 1, , mol.l -1 mol.l -1 Dilution facteur 10 à partir de la solution précédente 50 ml 200 ml (on le fait donc en 2 temps) PCS Page 2 sur 5

3 2 Spectrophotométrie d absorption La spectrophotométrie est l étude quantitative des interactions lumière matière. En arrivant sur une substance, une partie de la lumière est transmise, une partie est absorbée. Si l absorption de lumière a lieu dans le domaine des longueurs d onde du visible (longueur d onde λ entre 400 nm (violet) et 750 nm (rouge)), la substance est colorée. f (Hz) = λ c vers les ondes E.M. de forte énergie ultraviolet (U..) 7, Hz 400 nm Les radiations transmises (qui composent la couleur de l objet telle que notre œil la perçoit) sont complémentaires des radiations absorbées. On admet en général «l étoile des couleurs complémentaires» : deux couleurs complémentaires sont diamétralement opposées dans le diagramme ci-dessous : 750 nm 400 nm 450 nm 490 nm violet bleu visible rouge vert orangé jaune 510 nm 530 nm Hz 750 nm 630 nm 580 nm 545 nm nfrarouge (.R.) vers les ondes E.M. de faible énergie λ (nm) = f c Remarques : Les transitions dans l R correspondent à des transitions entre deux niveaux vibrationnels. Les transitions dans l U et visible correspondent à des transitions entre deux niveaux électroniques. 3 Montage expérimental Schématiquement, une source de lumière émet une gamme de radiation électromagnétique. On sélectionne l une des longueurs d onde à l aide d un prisme ou d un réseau. Cette radiation traverse une cuve de longueur l contenant la solution à étudier. On connaît en entrée l intensité lumineuse 0 (λ) de la radiation lumineuse incidente à la longueur d onde λ. On mesure en sortie l intensité lumineuse (λ) après traversée de la solution. (λ) < 0 (λ). 0 (λ) ntensité lumineuse incidente l longueur de la cuve Le spectrophotomètre donne directement la valeur A = log 0, nommée absorbance ou densité optique D.O. (λ) ntensité lumineuse transmise A = D.O. = log l existe des spectrophotomètres monofaisceau ou bifaisceaux (l un des faisceau traverse une cuve contenant la solution de référence, ou blanc (voir réalisation de mesures)). Réalisation pratique de mesures : Pour réaliser une mesure à une longueur d onde donnée : 1 Régler la longueur d onde du spectrophotomètre à la valeur souhaitée. 2 Remplir la cuve avec le solvant, la placer dans le spectro et «faire le blanc» ou «le zéro» : régler l absorbance à 0,000. Remarque : 2 types de cuves sont disponibles : - en verre de silice (quartz) : très coûteuses. - en polystyrène : ne pas nettoyer à l acétone! - Remplir suffisamment la cuve, mais pas trop (jusqu à 1/2 cm du haut environ) 0 PCS Page 3 sur 5

4 - Essuyer soigneusement au papier Joseph les faces d entrée et de sortie des cuves. - Ne pas poser les doigts sur ces faces! - érifier que les faces d entrée et de sortie ne sont ni rayées, ni entachées de marques de doigts. - Positionner correctement la cuve. Faire un blanc sur le solvant : les absorbances étant additives, il faut soustraire (faire un «blanc») les valeurs qui ne nous intéressent pas dans l étude (la solution de référence est souvent le solvant, mais elle peut aussi contenir d autres espèces que l on ne souhaite pas étudier, et dont on soustrait donc l absorbance) : placer du solvant dans une cuve, placer la cuve dans le spectro, fermer le clapet du spectro et valider sur «blanc» ou «zéro». La mesure d absorbance doit indiquer Ce blanc, qui doit être obligatoirement effectué à chaque valeur de la longueur d onde, est aussi justifié par la qualité spectrale de la lampe du spectro qui n émet pas la même intensité 0 à toutes les longueurs d ondes. 3 ider la cuve, la rincer, puis la remplir avec la solution étudiée. Réaliser la mesure sur la solution à étudier. Une valeur positive signifie que la solution étudiée absorbe plus que le «blanc» à cette longueur d onde. remarques : Bien rincer la cuve entre deux mesures. Commencer par l étude des solutions les plus diluées (elles fausseront moins les mesures sur les solutions plus concentrées). La remise à zéro de l absorbance avec le solvant doit être réalisée pour chaque nouvelle longueur d onde λ, les coefficients d absorption molaire du solvant et du matériau de la cuve dépendant aussi de λ. Si on dispose de deux cuves rigoureusement identiques, on peut en réserver une pour le solvant, l autre pour la solution. 4 Loi de Beer Lambert 4.1 Loi de Beer Lambert Pour une concentration pas trop importante en espèce absorbante, l absorbance à une longueur d onde donnée est proportionnelle à la concentration du soluté : A :absorbance = log 0, aussi nommée densité optique D.O.. Sans unité. 0 intensité lumineuse incidente, intensité lumineuse transmise. l longueur de la cuve, exprimée souvent en cm. c concentration de l espèce absorbante, souvent en mol.l -1. ε λ coefficient d extinction molaire, qui dépend de la longueur d onde de travail (d où un spectre de l espèce colorée (évolution de A en fonction de la longueur d onde)); unité usuelle : L mol -1.cm -1. L absorbance A est une grandeur additive : si deux espèces B 1 et B 2 absorbent à la longueur d onde λ, alors l absorbance de la solution de A et B vaut : A(solution contenant B 1 et B 2 ) = ε λ (B 1 ) l.c A + ε λ (B 2 ) l.c B = l.[ε λ (B 1 ).c A + ε λ (B 2 ).c B ] = A(B 1 ) + A(B 2 ) 4.2 Limites de la loi l de Beer Lambert En pratique, les spectrophotomètres U-visibles ne donnent pas de valeurs précises de A pour A supérieure à 1 ou 2 : les photomultiplicateurs ne sont pas précis pour des intensités 100 fois plus petites que l intensité incidente. Si la solution est trop concentrée, l absorbance ne sera plus proportionnelle à la concentration (d un point de vue microscopique et imagé, si une molécule absorbante B se situe «derrière» une molécule B ayant déjà absorbé un photon, B ne pourra pas absorber de photon, et ne participera donc pas à l absorbance de la solution). l faut donc toujours avant toute utilisation de la loi de Beer Lambert (pour un suivi de cinétique par exemple) vérifier que le domaine d étude correspond à un domaine de validité de la loi de Beer Lambert. A = D.O. = ε λ.l.c PCS Page 4 sur 5

5 5 érification de la loi de Beer Lambert A-Première partie : spectre et recherche de λ max : But : Prendre le spectre d une solution à 1, mol.l -1 de permanganate de potassium. Q1 : comment avez-vous réalisé la dilution? Faire les calculs montrant que l on obtient bien la concentration prévue. Q2 : Avant de faire le spectre d absorption déterminer un odre de grandeur de la valeur de λ max (longueur d onde où l absorbtion est maximale), à l aide de l étoile des couleurs. Q3 : tracer le spectre d absorption sur papier millimétré. (titre, échelles, ) ; quelle est la valeur maximale de l absorbance de cette solution? A quelle longueur d onde (λ max ) correspond-elle? Par la suite on ne travaillera plus qu à λ = λ max B-Deuxième partie : droite étalon et limites : Réaliser les dilutions : Q5 : Pourquoi se place-t-on à λ max? Q6 : tracer sur papier millimétré le graphe A = f(c) pour λ = λ max. Quel est le domaine de validité de la loi de Beer Lambert pour le permanganate de potassium en solution aqueuse? Q7 : calculer le coefficient d extinction molaire du permanganate de potassium. C-Troisième partie : But : Trouver un mode opératoire pour connaître la concentration (supposée inconnue) de la solution B de concentration environ mol.l -1. Q8 : expliquer le mode opératoire et en déduire la concentration de la solution inconnue. Faites ressortir clairement les valeurs expérimentales que vous avez mesurées. solution c mol.l - 1 mère olume fiole jaugée S1 5, mère 8, ml 6, ml 4, ml 2, ml paillasses Les 4 paillasses de gauche S2 1, mère 8, , Les 4 paillasses de droite 4, , Pour chaque concentration, noter la valeur de l absorbance pour λ = λ max. Q4 : Rappeler la loi de Beer Lambert sans oublier de définir chacun de ses termes (nom, les unités ). PCS Page 5 sur 5

6 Epsilon ~ 2250 L.mol -1 cm -1 PCS Page 6 sur 5