Chimie Analytique I: Chapitre 15 La spectroscopie UV-VIS 15.1 Les espèces absorbantes Afin d'observer une transition électronique soit dans l'uv soit dans le visible, il faut que la molécule possède des électrons facilement excitables par le rayonnement: il s'agit le plus souvent de molécules organiques insaturées (chromophores) ou d' espèces inorganiques possédant des électrons dans des orbitales d. 1
15.2 Les chromophores organiques La présence d'une double liaison isolée (chromophore) ou d'un hétéroatome (X, S etc.) suffit à permettre une détection dans l'uv d'un composé organique. La conjugaison entre deux chromophores tend à déplacer les maximas d'absorption vers des plus grandes longueurs d'ondes (plus petites énergies). Les transitions sont du type *. > 10'000 l cm-1 mol-1 2
15.3 Absorption par des composés de coordination En général, les composés de coordination sont colorés. Les absorptions dans le visible sont le plus souvent dues à une transition d'un électron d d'une orbitale peuplée à une orbitale virtuelle. Les différences d'énergie entre ces orbitales d dépendent du métal, de l'état d'oxydation et de la nature du ligand. On parle de transition d d. < 1'000 l cm -1 mol -1 très variable) Les absorptions par transfert de charge peuvent se produirent lorsque un donneur d'électron est lié à un accepteur d'électron. Ceci est très fréquent avec les composés de coordination. On parle de transition TC (CT en anglais). > 10'000 l cm-1 mol-1 3
π* d z 2 π d yz MLCT 4
15.4 Applications quantitatives Plus de 90% des analyses médicales sont basées sur la spectroscopie d'absorption UV-Vis. Ceci est dû à: i) Une grande sensibilité: limites de détection en spectroscopie d'absorption 10-5 à 10-7 M. ii) Unr bonne sélectivité: on peut trouver un longueur d'onde où un seul des analytes absorbe. iii) Une bonne exactitude: les erreurs relatives sur la co un ccentration sont de l'ordre de 1-5%. iv)champ d'application très vaste: même si l'analyte à étudier n'absorbe pas, on peut le faire réagir avec un réactif chromophore pour former un produit absorbant. (Cette réaction de dérivatisation doit être quantitative). iv) Une facilité de mise en oeuvre (méthodes automatisées). 5
15.5 Les titrages (spectro)photométriques Les mesures (spectro)photométriques peuvent être employées pour déterminer les points de fin de titrage, pour autant qu'au moins un des produits de la réaction soit absorbant (ou qu'on travaille avec un indicateur coloré). Une courbe de titrage photométrique est un graphique de l'absorbance (corrigée) en fonction du volume de réactif titrant. La courbe est constituée de deux parties linéaires différentes: l'une au début du titrage et l'autre au-delà du point d'équivalence. Le point de fin de titrage est déterminé par extrapolation des deux parties linéaires. 6
seul [Cu(EDTA)] 2- absorbe à 745 nm 7
15.6 Avantages des titrages (spectro)photométriques Les résultats obtenus par titrages photométriques sont souvent plus exacts que ceux qui résultent d'une mesure photométrique directe car la détermination du point de d'équivalence repose sur une extrapolation de plusieurs mesures. La présence d' autres espèces absorbantes ne cause pas d'interférence puisqu'on mesure une variation d'absorbance. Puisque le point d'équivalence est extrapolé, ce point d'équivalence n'a pas besoin d'être aussi net que pour un titrage qui dépend d'observations effectuées près du point d'équivalence. Par conséquent, on peut titrer des solutions plus diluées et les constantes d'équilibre peuvent être moins élevées. 8
15.7 Etude spectrophotométrique des ions complexes La spectrophotométrie permet de déterminer la composition d'ions complexes en solution ainsi que leur constante de formation. Les trois techniques les plus utilisées pour ces études sont: i) la méthode des variations continues; ii) la méthode du rapport molaire; iii) la méthode du rapport des pentes. 9
i) la méthode des variations continues. Solutions du cation et du ligand: mêmes concentrations. Varier à volume constant (donc nombre total de moles constant) le rapport des moles cation:ligand (9:1, 8:2, 7:3 etc) Mesurer l'absorbance de chaque solution et corriger en tenant compte de l'absorbance en l'absence de réaction. Rapporter l'absorbance corrigée en fonction de la fraction molaire d'un réactif. L'intersection des deux droites donne le rapport cation:ligand 10
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ii) la méthode du rapport molaire. Préparer une série de solutions où la concentration analytique du cation est maintenue constante tout en variant la concentration du ligand. Porter l'absorbance en fonction du rapport molaire cation ligand. On obtient deux droites de pentes différentes. Le point d'intersection correspond au rapport molaire du cation ligand. Cette méthode permet de mettre en évidence la formation successive de complexes de rapports molaires différents, pour autant que ces espèces aient des coefficients d'absorption molaire différents et que leurs constantes de formation ne soient pas trop proches l'une de l'autre. 12
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iii) la méthode du rapport des pentes. Méthode utile pour des complexes peu stables, mais où un seul complexe se forme. Conditions: a) réaction de complexation complète en présence d'un grand excès de l'un des réactifs; b) le système obéisse à la loi de Beer-Lambert; c) les réactifs ne doivent pas absorber à la longueur d'onde de travail. xm + yl M x L y c M = [M] + x [M x L y ] c L = [L] + y [M x L y ] 14
Lorsque c L >> c M on peut considérer que tout le métal est complexé: [M] << x [M x L y ] ssi c M = x [M x L y ] En applicant la loi de Beer-Lambert: A 1 = b [M x L y ] = b c M x En reportant l'absorbance en fonction de c M, on obtient une droite de pente ε b/x. Lorsque c M >> c L on peut considérer que tout le ligand est complexé: [L] << y [M x L y ] ssi c L = y [M x L y ] En appliquant la loi de Beer-Lambert: A 2 = b [M x L y ] = b c L y En reportant l'absorbance en fonction de c L, on obtient une droite de pente ε b/y. A 1 A 2 = b x b y = y x 15
15.8 Spectroscopie de fluorescence: principes Lorsqu'une molécule excitée par l'absorption d'un rayonnement électromagnétique revient à l'état fondamental en libérant son énergie sous forme de photon, on parle de fluorescence. L'émission du photon dure moins de 10-5 s. Par contre, dans la phosphorescence, l'émission du photon peut durer plusieurs heures. Il existe deux types de fluorescence: i) Fluorescence de résonnance: la longueur d'onde de l'émission fluorescente est la même que la longueur d'onde de l'absorption. ii) Fluorescence de Stokes: la longueur d'onde de l'émission fluorescente est plus grande que la longueur d'onde de l'absorption. 16
Echantillon (3 niveaux électroniques E 0 E 2 ) irradié par une bande de rayonnement λ 1 λ 5 (popule E 1 ) ou λ' 1 λ' 5 (popule E 2 ). Relaxation vibrationnelle: processus de transfert d'énergie 10 15 s. Conversion interne: 10-6 10-9 s (élévation de la température). 17 Fluorescence ou phosphorescence: 10-5 10 4 s.
15.9 Fluorimétrie: applications Une espèce fluoresce lorsque le mécanisme de conversion interne est plus lent que la fluorescence. Le rendement quantique Φ est le rapport entre le nombre de molécules fluorescentes et le nombre total de molécules excitées (rapport entre le nombre de photons émis et absorbés). La plupart des hydrocarbures non substitués sont fluorescents (pas les hétérocycles!) Plus le nombre de cycles aromatiques (degré de condensation et rigidité) augmente, plus Φ augmente.(tryptophane!) Plus la température est basse, plus Φ augmente. La puissance du rayonnement fluorescent est proportionnelle à la puissance du faisceau d'excitation. La fluorimétrie est ca. 1000 plus sensible que l'absorption (10-9 M peuvent être étudiées en routine!). 18
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15.10 La spectroscopie d'absorption infrarouge L'énergie de rayonnement infrarouge induit des transitions vibrationnelles. Un spectre infrarouge est caractérisé par des pics d'absorption très étroits qui résultent de transitions entre les différents niveaux quantiques de vibration. Nombre de vibrations 3N 6: pas toutes les vibrations ne sont visibles! La spectroscopie infrarouge est utilisée principalement pour des analyses qualitatives de composés organiques. 20
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