TP 1 : Spectrophotométrie UV-visible - Correction Objectifs : Comprendre le principe de fonctionnement d un spectrophotomètre. Mettre en œuvre un protocole expérimental pour caractériser une espèce colorée. Exploiter un spectre UV-Visible. Relier la couleur d une espèce au maximum d absorption d une espèce chimique (Rappel) I ) Principe de fonctionnement d'un spectrophotomètre Dans un spectrophotomètre, la solution contenant une espèce colorée est éclairée par un faisceau considéré comme monochromatique de longueur d onde λ choisie. Lumière blanche Réseau par réflexion Solution de référence (solvant) Absorbance Fente Solution colorée Absorbance semi-réfléchissant Pour chaque longueur d onde choisie, l appareil mesure une grandeur appelée Absorbance à partir de la comparaison de l intensité lumineuse mesurée après l échantillon colorée et de l intensité lumineuse mesurée après un échantillon de référence (le solvant en général). L absorbance est un nombre sans unité. II ) Problème avec des bonbons Stroumpf (c'est stroumpfement bon!) Les confiseurs utilisent des colorants alimentaires variés toujours dans le but d attirer le consommateur tout en respectant la réglementation. Les recherches sur les colorants alimentaires sont toujours très importantes. L Union Européenne a fixé pour tous les colorants du marché des Doses Journalières Admissibles (DJA) que les consommateurs sont invités à respecter. En voici quelques exemples. Les DJA sont indiqués en mg de produit absorbable par kg de masse corporelle. Colorants bleus Bleu Patenté V (E131) Carmin d'indigo (E132) Bleu Brillant (E133) Formule brute C 27 H 31 N 2 NaO 7 S 2 C 16 H 8 N 2 Na 2 O 8 S 2 C 45 H 44 N 3 NaO 7 S 2 Masse molaire (g.mol -1 ) 582,66 466,36 825,97 DJA (mg) 2,5 5,0 10 Un consommateur de 60 kg cherche à savoir combien de bonbons Stroumpf il peut consommer sans risque pour sa santé. On supposera que le colorant est le constituant le plus critique comme entrant dans la composition du bonbon.
a ) Quel est le colorant présent dans le bonbon? Principe : Pour savoir quel est le colorant présent dans le bonbon, vous allez réaliser le spectre UV-visible du bonbon et le comparer à celui des 3 colorants: Bleu Patenté (E131), Indigotine (E132), Bleu Brillant (E133). Dissoudre dans un bécher contenant environ 50 ml d'eau chaude, 1 bonbon Stroumpf. Remuer de temps en temps pour homogénéiser. Quand la dissolution est complète, rajouter un peut d'eau froide et verser le tout dans une fiole de 100 ml et compléter jusqu'au trait de jauge. Au bureau se trouve 3 solutions des colorants précédents de concentration C =3,40 10 5 mol.l 1. Ces solutions sont trop concentrées pour passer directement dans le spectrophotomètre. 1 ) Quelle opération faut-il réaliser pour diminuer leur coloration? Il faut simplement diluer. 2 ) Ici il faut réaliser une dilution par 25 de ces solutions mères. Qu'est-ce que cela signifie diluer 25 fois? Donner le matériel nécessaire ainsi que le protocole. Après vérification par le professeur réaliser ces trois dilutions. Diluer 25 fois veut simplement dire que la solution fille sera 25 fois moins concentrée que la solution fille. Autrement dit nous avons C f =25. On appelle que lors d'une dilution, il y a conservation de la matière et donc nous avons : Où est la concentration de la solution mère (solution à diluer). Où V m est le volume de la solution mère à prélever. Où C f est la concentration de la solution fille (solution finale). Où V f est le volume de la solution fille. Comme nous avons cela implique que C f = V f V m =25. On peut donc prendre une fiole de 50 ml et pour le prélèvement, on peut utiliser une pipette jaugée de 2 ml car alors V f V m =25. Protocole : verser un peut de solution mère dans un bécher, prélever 2 ml de cette solution avec une pipette jaugée. Verser ces 2 ml dans une file jaugée de 50 ml. Compléter jusqu'au ¾ par de l'eau distillée. Remuer pour homogénéiser la solution puis compléter jusqu'au trait de jauge. - Placer quelques ml de ces solutions dans les cuves à spectrophotométrie (attention aux doigts). - Placer également une cuve contenant l'éluant, ici de l'eau distillée. - Placer également la solution du bonbon Stroumpf dans une cuve. 3 ) Réaliser les spectres des 4 solutions (voir mode d'emploi du spectrophotomètre), imprimer vos résultats si possible. En déduire alors quel est l'indicateur présent dans le bonbon.
Voici les résultats : A Bleu patenté (E131) Pic d'absorption Stroumpf Bleu brillant (E133) Carmin indigo (E132) λ (nm) On voit que le colorant contenu dans le bonbon absorbe un maximum à 655 nm et que le bleu patenté absorbe un maximum exactement au même endroit, on peut donc en conclure que le bonbon contient du bleu patenté. Remarque : on remarque que le bleu patenté absorbe un maximum dans le rouge et qu'il laisse passer la partie basse du spectre c'est à dire la couleur bleue ce qui confère sa couleur à la solution. Le bleu patenté à pour formule semi-développée : b ) Quelle est la quantité du colorant dans le bonbon? Dans cette partie on cherche à déterminer la quantité de colorant présent dans un seul bonbon. Pour cela vous allez réaliser une échelle de teinte pour établir la loi de Beer-Lambert et ainsi remonter à quantité de colorant présent dans le bonbon. 1 ) Réaliser successivement 5 dilutions de la solution mère du colorant contenu dans le bonbon. Pour connaître les volumes à prélever recopier et compléter le tableau suivant sur votre compte rendu. Il s'agit encore d'une dilution, donc on a encore. Ici il s'agit de calculer le volume de la solution mère qu'il faut prélever, le volume de la solution fille restant toujours le même 10 ml. La solution mère étant la solution diluée 25 fois dans la première partie et donc la concentration est : = 3,40 10 5 =1,36 10 6 mol.l 1 25 Nous avons donc à faire le calcul suivant : V m = C f = C f 10 1,36 10 6.
Concentration finale (solution fille) mol.l -1 Volume à verser en ml (de la solution mère) Solution diluée 25 fois précédemment 1,10 10 6 5,44 10 7 2,72 10 7 1,36 10 6 10 Volume final en ml 10 10 10 10 10 - Réaliser les dilutions, pour cela utiliser les burettes graduées: une contenant la solution mère et l'autre de l'eau distillée. Vos dilutions se feront dans des tubes à essais. Voici les résultats : 1,10 10 6 10 =8 ml 8,16 10 7 10 =6 ml 5,44 10 7 10 =4 ml 2,72 10 7 10 =2 ml 1,36 10 6 1,36 10 6 1,36 10 6 1,36 10 6 Schroumpf On voit visuellement que la solution contenant le bonbon Schroumpf à une concentration C b supérieure à la concentration la plus grande de l échelle de teinte donc C b > 1,36 10-6 mol.l -1. 2 ) Mesurer ensuite l'absorbance A de ces solutions et tracer le graphique montrant l'évolution de A en fonction de la concentration C. Que constatez-vous? Énoncer alors la loi de Beer Lambert. On se place au maximum d'absorption pour être le plus précis (ici on se place donc à 655 nm), voici ce que l'on obtient : A
La mesure des maximums d'absorption donne les résultats suivants : C (mol.l -1 ) Solvant 2,72 10 7 5,44 10 7 8,16 10 7 1,10 10 6 1,36 10 6 Schroumpf A 0 0,02 0,05 0,07 0,12 0,15 0,24 Le graphique montrant l'évolution de A en fonction de C donne ceci : A Schroumpf Concentration de la solution du Schroumpf On voit que l'absorbance est proportionnelle à la concentration C de la solution colorée (les points sont globalement alignés). Donc par lecture graphique on peut remonter à la concentration de la solution du bonbon. 3 ) En déduire alors la valeur de la concentration C b du colorant contenu dans un bonbon. On lit que pour une absorbance A = 0,24 la concentration est C b = 3,1 10 6 mol.l 1. 4 ) En déduire alors la masse du colorant dans ce bonbon. (Rappel : le bonbon a été dissous dans 100 ml d'eau) On a donc n b = C b V b = 3,1 10 6 0,100 = 3,1 10 7 mol. Et donc la masse correspondante est m = n b M = 3,1 10 7 582,66 = 1,8 10 4 g = 0,18mg. 5 ) En déduire alors le nombre de bonbons que peut manger la personne de 60 kg. D'après le texte du début, un individu de 60 kg pourra consommer au maximum 2,5 60=1,5 10 2 mg de bleu patenté. Donc il pourra consommer un total de 1,5 102 0,18 = 8,3 10 2 bonbons!