TPG 12 - Spectrophotométrie Travail par binôme Objectif : découvrir les conditions de validité et les utilisations possibles de la loi de Beer-Lambert I- Tracé de la rosace des couleurs Choisir un des composés ci-dessous par binôme et préparer une solution correspondant à la concentration donnée dans le tableau. A l aide d un spectrophotomètre informatisé, réaliser le scan A = f(λ) de cette solution mère de 400 nm à 900 nm dans une cuve en polystyrène de longueur interne 1 cm. Si on observe une saturation, diluer approximativement la solution mère (ceci peut être fait dans la cuve) jusqu à obtenir un spectre exploitable. Compléter alors le tableau suivant. M / g.mol -1 concentration molaire Orthophénanthroline 0,025 mol.l -1 ferreuse NiCl 2 1 mol.l -1 CuSO 4 1 mol.l -1 KMnO 4 10-2 mol.l -1 CoCl 2 1 mol.l -1 Couleur de la solution λ max On tracera aussi le spectre d une solution de dichromate de potassium très diluée. Commenter. Compléter la rosace des couleurs ci-dessous (λ augmente dans le sens horaire) : Expliquer le principe des couleurs complémentaires 1/6
II- Etude de la loi de Beer-Lambert L objectif de cette partie est d étudier les conditions de validité de la loi de Beer-Lambert, et notamment de vérifier expérimentalement la linéarité entre A et c. Enoncer la loi de Beer-Lambert et indiquer les unités des différentes grandeurs y apparaissant Diluer successivement la solution mère pour préparer une gamme étalon de 9 solutions filles dans des fioles de 50 ou 100 ml selon le matériel disponible (diluer à peu près au ½ à chaque fiole). Remplir les cuves en polystyrène (longueur interne de 1 cm) avec ces solutions et prendre en photo le nuancier ainsi obtenu. Choisir, en fonction du scan réalisé en première partie, trois longueurs d ondes : une sur un maximum d absorption, une sur un minimum et une dernière sur une pente forte. On note max, min et pente ces trois longueurs d onde. Passer alors les cuves dans un spectrophotomètre (non informatisé) et mesurer l absorbance pour ces 3 longueurs d onde : reporter les résultats dans le tableau ci-dessous. Calculer les coefficients d absorption molaire pour chaque mesure. Concentration λmax = λ min = λ pente = A Ε A ε A ε Tracer sur Excel ou Régressi les graphes A = f(c) pour ces trois longueurs d onde. Que peuton en déduire? Modéliser les courbes obtenues sur le domaine de linéarité et retrouver la valeur du coefficient d absorption molaire. Longueur d onde / nm Coefficient d absorption molaire / max min pente 2/6
III- Etude de quelques paramètres 1) Influence de la longueur interne de la cuve utilisée Prendre une des solutions filles, mesurer son absorbance dans deux cuves en polystyrène de longueur interne différentes. Conclure. 2) Domaine d utilisation des cuves Tracer le spectre A = f( ) pour une cuve en polystyrène, une cuve en verre et une cuve en quartz, sur le domaine 200 / 900 nm, avec l air pour référence. Conclure. 3) Influence de la nature du matériau de la cuve Prendre une des solutions filles et faire le scan A = f( ) autour de max (scan sur environ 100 nm). Relever la valeur de la longueur d onde d absorption maximale ainsi que l absorbance correspondante pour 4 cuves différentes : verre, polystyrène, PMMA et quartz. Pour chacune, prendre comme blanc une cuve du même matériau avec de l eau. ATTENTION LES CUVES EN QUARTZ COUTENT CHER, SONT FRAGILES, ET DOIVENT DONC ETRE MANIPULEES AVEC PRECAUTION quartz polystyrène verre PMMA max A max ε Conclure sur l influence des cuves utilisées sur le max et A max. 4) Influence du solvant sur la longueur d onde maximale d absorption Préparer des solutions de diiode dans différents solvants. Compléter le tableau ci-dessous, essayer de définir le phénomène de solvatochromie. solvant Dichlorométhane Cyclohexane Acétone Ethanol Eau Couleur de la solution (observée) Longueur d onde d absorption Solvatochromie : 3/6
5) Influence de la température Utiliser une des solutions filles pour étudier l influence de la température sur l absorption. Placer une petite quantité de cette solution dans un bécher et chauffer doucement (ou refroidir selon la température désirée). Transvaser rapidement la solution à température désirée dans une cuve en polystyrène et relever la valeur de l absorbance pour max. C = T approximative T exacte A max ε 10 20 30 40 50 60 Conclusion : 6) Quelques expériences complémentaires a - Influence de la cuve de référence Réaliser le spectre d une des solutions filles (dans une cuve en polystyrène) en prenant différentes références : C = Référence max Amax ε Pas de cuve Cuve vide Cuve avec solvant Indiquer le rôle et l importance de la cuve de référence. 4/6
b - Influence de la présence d un solide colloïdal Dans un bécher, verser 10 ml d une solution de thiosulfate de sodium à 0,2 mol.l -1 et 10 ml d une solution d acide chlorhydrique à 0,1 mol.l -1. Laisser reposer et noter les observations. Observations : A l apparition persistante d un voile laiteux, placer 2 gouttes de ce mélange dans une cuve contenant une des solutions filles de cobalt, de cuivre ou de nickel. Réaliser alors un scan A = f( ) dans une cuve en polystyrène en balayant de 400 à 900 nm. Observations et interprétations : c Cas de la fluorescence Préparer une solution de fluorescéine. Placer dans une cuve en polystyrène une des solutions filles de cobalt. Dans un spectrophotomètre non informatisé, à = 496 nm, faire les expériences suivantes : cuve avec la solution de cobalt / référence : eau. Mesurer A. Ajouter 10 gouttes de fluorescéine dans la solution de cobalt : mesurer A. Ajouter 10 gouttes de fluorescéine dans la cuve de référence : mesurer A. Refaire la même série de manipulation à = 519 nm. Conclure sur le phénomène de fluorescence. 5/6
Loi de Beer-Bouguer-Lambert Plus le verre est profond Plus le jus est foncé Plus faible est la quantité de lumière au fond Bouguer, 1729. En 1729, Pierre Bouguer 1 (1698-1758) montre que la fraction de la lumière absorbée dans un milieu dépend de l'épaisseur parcourue. Johan Heinrich Lambert (mathématicien allemand, 1728-1777) redécouvrira plus tard (1789) ce fait dont la traduction mathématique s'exprime par : I = Io. exp (- k'.l). En 1852, August Beer (1825-1863) montre que l'exposant de la loi de Lambert : I = Io. exp (- k'.l) dépend de la concentration : I = Io. exp (- k.l.c). Cette relation permet d'utiliser la colorimétrie comme méthode de dosage de chimie analytique. Leur loi est connue sous le nom de loi de Beer-Lambert. Selon le pays, cette loi porte le nom de «Loi de Bouguer», de «Beer s Law», en France de «loi de Beer-Lambert» et en Allemagne «loi de Lambert-Beer». Bibliographie Pfeiffer H.G. et Liebhafsky H.A. 1951 - J. Chem. Ed., 28, p. 123. Lambert J.H. 1760 - Photometria : sive de mensura et gradibus luminis, colorum et umbrae, Augsburg. Beer A. 1852 - Ann. Physik, 86, p. 78. 1 Ne se fiant pas à l'œil, il met au point un système pour compare deux intensités lumineuses : en déplaçant une chandelle et par application de la loi de Kepler, il établit la première méthode pour comparer des intensités lumineuses. Il est considéré comme le fondateur de la photométrie 6/6