Meine Flüssigkeit ist gefärbt*, comme disaient August Beer ( ) et Johann Heinrich Lambert ( )

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1 1ère S Meine Flüssigkeit ist gefärbt*, comme disaient August Beer ( ) et Johann Heinrich Lambert ( ) Objectif : pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer la concentration d une espèce colorée en utilisant la loi de Beer-Lambert TP Toute substance transparente traversée par du rayonnement arrête toujours une partie de ce rayonnement: c est le phénomène d absorption : l énergie rayonnante absorbée est convertie en énergie thermique dans la substance. L absorption est dite sélective, si la substance n absorbe pas de la même façon toutes les longueurs d onde. L absorption est dite non sélective si la substance absorbe de la même façon toutes les longueurs d ondes du rayonnement incident. Texte 1: le phénomène d'absorption Si une substance transparente est éclairée par une lumière blanche incidente (constituée de toutes les radiations visibles), deux cas se présentent pour la lumière transmise : si l absorption n est pas sélective, la lumière transmise est constituée de toutes les longueurs d onde de la lumière blanche incidente dans les mêmes proportions : la substance apparaît alors incolore à l oeil de l observateur ; si l absorption est sélective, la lumière transmise est constituée des radiations visibles de la lumière blanche incidente où manquent les radiations fortement absorbées par la substance traversée : la lumière transmise (perçue par l oeil) n est alors plus une lumière blanche mais une lumière colorée. La couleur prise une substance traversée par une lumière blanche est la couleur obtenue par recomposition des radiations transmises, c est à dire peu absorbées par la substance. Texte 2: la couleur d'une substance et le cercle chromatique L'absorbance d'une substance est une grandeur physique, sans unité, notée A, qui caractérise l aptitude de la substance à absorber le rayonnement, c est à dire qui permet de mesurer la proportion de rayonnement absorbé. A est mesurable à l aide d un appareil appelé le spectrophotomètre. Texte 3: l'absorbance Un spectrophotomètre est un appareil capable de mesurer l'absorbance A d'une substance colorée en solution pour une longueur d'onde donnée λ o : Il est constitué : d une source de lumière blanche d un système dispersif (réseau ou prisme) muni d'une fente capable de sélectionner une lumière monochromatique incidente tombant sur une cuve porte échantillon contenant une substance colorée d étude S et une cuve contenant une solution de référence E (solution incolore obtenue en privant la solution S de l espèce colorée) d un système optoélectronique permettant de calculer la valeur de A Texte 4: le spectrophotomètre * : mon liquide est coloré

2 1 EXPLOITATION DIRECTE DES DOCUMENTS 1.1 Texte 1 Donner l unité SI de la longueur d onde. Préciser ce qu est le rayonnement incident. 1.2 Texte 2 Donner l intervalle de longueurs d onde correspondant à la lumière visible. Préciser ce qu est le rayonnement transmis. Préciser la différence entre une substance transparente et une substance incolore. Citer un exemple de substance incolore. Le permanganate de potassium est une substance colorée absorbant principalement dans le domaine de radiations correspondant au jaune vert. En déduire la couleur d une solution de permanganate de potassium. Réaliser un schéma légendé faisant apparaître : une source de lumière monochromatique de longueur d onde λ, les rayonnements incident et transmis, une cuve de longueur L contenant une substance colorée. 1.3 Texte 3 Soient deux solutions colorées par la même substance et éclairées par la même rayonnement. L une de ces solutions est telle que A 1 = 0,352 et l autre est telle que A 2 = 1,456. Comparer les aptitudes de ces deux solutions à absorber ce rayonnement. Donner la valeur de l absorbance d une solution théorique qui n absorberait pas un rayonnement donné. Donner la valeur de l absorbance d une solution théorique opaque pour un rayonnement donné. 1.4 Texte 4 Compléter les 5 rectangles permettant de légender le schéma du spectrophotomètre. 2 L ABSORBANCE MISE A NU Pour cette partie, utiliser le premier document en annexe. 2.1 Hypothèses D après vous, de quoi l absorbance d une solution colorée pourrait dépendre? On pourra s aider de l étude précédente. 2.2 Vérification des hypothèses Pour chacun des facteurs de dépendance de l absorbance, proposer un protocole permettant de vérifier votre hypothèse. Faire valider vos protocoles, puis les mettre en œuvre. 2.3 Conclusion Revenir sur la validité ou pas de vos hypothèses et conclure sur les facteurs dont dépend l absorbance A d une solution colorée.

3 3 QUAND MESSIEURS BEER ET LAMBERT S EN MELENT Pour cette partie, utiliser le deuxième document en annexe. 3.1 Construction d un protocole L absorbance A dépend de la concentration c de la solution en espèce colorée. On peut supposer que la dépendance de A en fonction de c s exprime mathématiquement sous les formes suivantes de l expression A = f(c) : Relation Relation linéaire Relation affine Relation trinomiale Expression de A = f(c) A = α c, avec α : coefficient de proportionnalité A = α c + β A = α c 2 + β c + γ Représentation graphique de A = f(c) Droite passant par l origine Droite ne passant pas par l origine Parabole Proposer un protocole détaillé permettant de choisir la relation mathématique valide. Faire valider votre protocole, puis le mettre en œuvre (on présentera les résultats sur une feuille à joindre). 3.2 Conclusion Indiquer la relation entre l absorbance A et la concentration c de la solution en espèce colorée. Cette relation est appelée la loi de Beer-Lambert.

4 4 ET SI LA CONCENTRATION EST INCONNUE!!! 4.1 Une situation délicate et stressante Ayant fait des études de chimie, vous souhaitez travailler comme technicien dans une grande entreprise pharmaceutique française. Votre curriculum vitae (CV) intéresse le directeur des ressources humaines (DRH) de cette société qui vous convoque pour un entretien qui aura lieu avec un technicien expérimenté de la société. Il vous précise que cet entretien a pour but de vérifier vos compétences scientifiques. Le technicien vous déclare : «L eau de Dakin est une solution antiseptique utilisée pour le lavage des plaies et des muqueuses. Il s agit d une solution d hypochlorite de sodium dans laquelle on a dissous du permanganate de potassium de manière à obtenir une concentration massique C m en permanganate de potassium égale à 10 mg.l -1. On trouve aussi dans l'eau de Dakin du dihydrogénophosphate de sodium dissous. Parmi toutes ces espèces chimiques, seuls les ions permanganate MnO 4 (aq) sont colorés et donnent à la solution cette teinte violette, assimilable au magenta. Je vous indique que la masse molaire du permanganate de potassium est M = 158,0 g.mol -1. J ai ici une bouteille d eau de Dakin issue d une de nos chaînes de production. Dites-moi si la concentration en ion permanganate est correcte? Je tolère une erreur relative e de 5,0 %. Pour effectuer l étude de cette solution nous mettons à votre disposition : un spectrophotomètre que vous devrez régler à la longueur d onde adaptée et des cuves, le spectre d absorption du permanganate de potassium, une solution de permanganate de potassium dont la concentration est C 0 = 1, mol.l -1, des béchers, un pipeteur, une pissette d eau distillée, une fiole jaugée de 50,0 ml, une pipette jaugée de 25,0 ml, un ordinateur avec un tableur.» 4.2 Construction d un protocole Proposer un protocole détaillé permettant de répondre à la question du technicien, et éventuellement d être embauché! L erreur relative est donnée par la relation : e= C exp C th. C th Illustration 1: spectre d'absorption d'une solution de permanganate de potassium 4.3 Conclusion Répondre à la question du technicien.

5 CONSTRUCTION DE LA DEMARCHE EXPERIMENTALE POUR LA PARTIE 2 HYPOTHESE : l absorbance d une solution colorée dépendrait de... PRINCIPE DU PROTOCOLE PROTOCOLE RESULTATS

6 CONSTRUCTION DU PROTOCOLE POUR LA PARTIE 3 PRINCIPE DU PROTOCOLE MATERIELS ET PRODUITS NECESSAIRES

7 Liste du matériel : partie 2 : de quoi dépend l absorbance d une solution colorée? montage installé luxmètre + cuve avec permanganate à spot de lumière blanche 50 ml de solution de diiode à ml de solution de permanganate à 10-2 spectrophotomètres + cuves par groupe : eau distillée 2 petits béchers 1 fiole de 50 ml + bouchon 1 pipette de 5 ml + propipette partie 3 : loi de beer-lambert spectrophotomètres + cuves 100 ml de solution de permanganate à 10-3 par groupe : eau distillée 4 petits béchers 2 fioles de 50 ml + bouchons des pipettes de 5 et 10 ml + propipette partie 4 : détermination d une concentration par étalonnage spectrophotomètre + cuves Dakin 250 ml de solution de permanganate à C 0 = 1, mol.l -1, salle 3 par groupe : 2 petits béchers, eau distillée, une fiole de 50,0 ml, une pipette de 25,0 ml, + propipette