Montage n° 2 Expériences sur la spectrophotométrie

Montage n° 2
Expériences sur la spectrophotométrie et ses applications.
Introduction
La chimie des solutions ne peut se pratiquer sans connaître les espèces en solution, que ce soit
d’un point de vue qualitatif ou quantitatif. On a souvent recours à des méthodes destructives,
mettant en œuvre des réactions chimiques. Il existe également des méthodes non destructives
par l’intermédiaire de la mesure d’une grandeur physique facilement accessible. La
spectrophotométrie est une de ces méthodes.
Au cours de ce montage, nous allons découvrir ce qu’est la spectrophotométrie. Dans un premier
temps, nous allons aborder la notion d’absorbance et réaliser un spectre d’absorbance. Nous
utiliserons ensuite le spectrophotomètre à des fins analytiques pour doser le fer dans un vin blanc
par étalonnage. Dans une deuxième partie, pour déterminerons une constante thermodynamique :
le pKa du BBT. Nous terminerons par un suivi cinétique d’une réaction chimique.
I. Notion d’absorbance
I.1 Spectre d’absorption
Le Maréchal p.127 – CRDP Nord pas de Calais p.77
Nous allons dans un premier temps observer le spectre de la lumière blanche en la décomposant
grâce à un réseau (phénomène de diffraction). Pour cela, plaçons un réseau de 600 traits par mm
entre la lampe et la lentille d’un rétroprojecteur. 2 plaques de carton serons posées parallèlement,
sur le plan de travail du rétroprojecteur (fente d’environ 1 cm entre les plaques).
Nous effectuerons la mise au point du rétroprojecteur avant d’insérer le réseau. Les traits du
réseau doivent être parallèles à la fente réalisée. On observe l’image de la fente, entourée de 2
spectres continus d’ordre 1 allant du violet jusqu’au rouge.
Posons maintenant sur une partie de la fente, une solution comportant une substance colorée.
Permanganate de potassium sulfate de cuivre II
Observations : Le spectre de la lumière qui a traversé une solution colorée présente des bandes
noires sur un fond coloré: c'est un spectre d'absorption. Certaines longueurs d’ondes sont
absorbées par les solutions. La solution bleue de sulfate de cuivre absorbe les longueurs d’onde
du rouge orangé – la solution violette de permanganate de potassium absorbe les longueurs
d’ondes du vert jaune.

Conclusion : les substance colorées absorbent les couleurs complémentaires de leur couleur
d’apparence. Il est donc possible de caractériser une substance par les longueurs d’onde qu’elle
absorbe.
I.2 Principe du spectrophotomètre
Le principe du spectrophotomètre est basé sur le principe de
l’absorbance. Lorsqu’une lumière monochromatique traverse une
substance avec une intensité lumineuse I
0
, elle en sort avec une
intensité I. On définit l’absorbance comme étant A=log(I
0
/I). Lorsqu’une
substance colorée absorbe pour une certaine longueur d’onde, l’absorbance sera donc maximale.
Le spectrophotomètre effectue cette mesure d’absorbance pour différentes longueurs d’onde. Afin
de ne prendre en compte que l’absorption de la substance colorée étudiée, on retranche de la
valeur mesurée, l’absorbance des autres substances (le solvant + la cuve). Cette étape s’appelle :
faire le blanc.
I.3 Spectre d’absorbance
Si le spectrophotomètre balaye tout le spectre de longueur d’onde, on obtient un spectre
d’absorbance. Ce spectre constitue la carte d’identité de la substance colorée. Nous allons
réaliser le spectre d’absorbance d’une solution de fer III complexés avec des ions thiocyanate.
En fait, dans la partie suivante de cette présentation,
nous allons doser les ions fer III contenus dans le vin.
Manip en tube à essai :
Or les ions fer III sont incolores en solution (on peut
monter la solution de FeCl
3
), donc pour pouvoir utiliser le
spectrophotomètre, il faut les colorer en formant le
complexe [FeSCN]
2+
rouge. (on ajoute KSCN).
Réalisons le spectre d’absorbance d’une solution de Fer
III complexés (très faible concentration : jeune). Faire le
blanc à l’eau distillée. On balaye toute la plage de
fréquence du spectro. On obtient la courbe ci-contre.
On voit donc un max d’absorption pour λ=470 nm. (ce
qui correspond au bleu moyen, qui est bien
complémentaire du jaune orangé.)
II. Détermination de la quantité d’ions fer contenus dans le vin blanc
II.1 Protocole
Les vins contiennent, en faible quantité, l’élément fer sous forme d’ions
2
Fe
+
ou
3
Fe
+
. Si la
concentration en ions
3
Fe
+
est trop importante, un précipité de phosphate de fer (III),
4
FePO
, se
forme. Un trouble peu attrayant apparait : c’est la casse ferrique. Il est donc nécessaire de
connaitre la concentration totale en élément fer qui ne doit pas dépasser
1
15 mg.L
−
. L’élément fer
provient principalement des parties métalliques du matériel utilisé lors de la vinification (vendange,
pressurage et filtration).
Pour doser la concentration totale en ions fer dans le vin, il convient de
transformer les ions fer II en ions fer III. Pour cela, nous allons oxyder les
ions fer II par du peroxyde d’hydrogène à 110 vol.
Ensuite, pour éviter la précipitation des ions fer III, nous allons travailler en
milieu acide pour s’assurer que ph<2.
Pour terminer, comme nous l’avons vu précédemment, nous allons
complexer les ions fer III pour colorer la solution et travailler à l’aide du spectrophotomètre.
II.2 Préparation d’une échelle de teintes
Dans la notion d’absorbance, pour une longueur d’onde donnée, il y a une notion d’intensité
lumineuse, donc de quantité de lumière absorbée. De quoi dépend cette quantité ? a priori, de
I
0
I
H
2
O
2
- H
2
O
Fe
3+
- Fe
2+
1,77 V
0,77 V
E° (V)

l’épaisseur de la substance colorée traversée et de l’intensité de la couleur (solution + ou - diluée,
donc de la concentration). Nous allons le vérifier.
Nous allons préparer 4 solution de FeCl
3
de concentrations différentes dans des fioles jaugées de
50mL.
Introduire environ 10 mL de chaque solution dans un bécher de 50mL
Ajouter : 5 gouttes de H
2
SO
4
à 6 mol.L
-1
(vérifier le pH à l’aide de papier pH)
1 mL de KSCN à 2 mol.L
-1
(en excès pour être sûr de complexer tous les ions fer III)
5 gouttes de H
2
O
2
à 110 vol
Agiter
Tous ces échantillons possèdent la même substance colorée. Le spectre d’absorbance aura donc
même allure, avec un maximum à 470 nm. On constate à l’œil, que plus la solution est
concentrée, plus la couleur est intense.
On utilise le spectro en effectuant une seule mesure
d’absorbance à 470 nm. On fera le blanc avec eau distillée.
Tracer A=f(c). On obtient une droite qui passe par 0.
L’absorbance, à une longueur d’onde donnée, est donc
proportionnelle à la concentration de l’espèce colorée.
Nous venons de retrouver le relation de Beer Lambert :
A=ε
λ
lc
Avec ε
λ
: coeff d’extinction molaire en L.mol
-1
.cm
-1
. Dépend
de λ.
L : largeur de la cuve en cm
C : concentration en mol.L
-1
II.3 Détermination de la quantité d’ions fer dans un vin blanc
L’absorbance étant proportionnelle à la concentration, on peut utiliser cette méthode pour réaliser
un dosage. On prépare l’échantillon de vin avec l’eau oxygénée, l’acide et le KSCN.
On fera cette fois, le blanc avec le vin (car c’est lui le solvant et peut être est-il coloré). On lit la
mesure de A à 470 nm. En s’aidant de la courbe étalon, on lit directement la concentration en fer.
Vérifions qu’elle est bien inférieure à 15 mg.L
-1
, afin d’éviter la casse ferrique.
III. Détermination du pKa du bleu de bromothymol
100 manip n°37 p.130 – livre TS Mesplède
Nous venons d’utiliser le spectrophotomètre pour réaliser un dosage. Nous allons maintenant
l’utiliser pour déterminer la constante d’acidité d’un indicateur coloré : le BBT (indicateur coloré
acido-basique).
On prépare 3 solutions dans des fioles de 100 mL, contenant chacune la même quantité de BBT
(mesurée à la pipette jaugée : 1mL de BBT à 1 g.L-1)
Solution pH
HCl 10
-
2
mol.L
-
1
+ BBT
NaOH 10
-
2
mol.L
-
1
+ BBT
Tampon phosphorique (KH
2
PO
4
- pH=7) + BBT
Mesure du pH + constatation de la couleur : en pH faible, le BBT est jaune, en pH élevé, il est
bleu. En milieu neutre, mélange des 2 couleurs bleu + jeune (=vert)
Le BBT est une espèce acido-basique dont la forme basique est bleue et la forme acide est jaune.
Mise en évidence de zones de prédominances et d’une zone de virage. Comme toute autre
substance acido-basique, il est caractérisé par son pKa que nous allons déterminer par
spectrophotométrie. Connaissant ce pKa, on sera capable de prévoir les zones de prédominance
et la zone de virage.
pH
pKa pKa +1 pKa -1

InH + H
2
O = In- + H
3
O+
[
]
[
]
[ ] InH OHIn
Ka
+
⋅
−
=3
[
]
[ ] InH
In
pHpKa
−
+= log => zones de prédominances
mesurer les absorbances des différentes solutions
On place la solution dans une cuve. Le spectrophotomètre envoie
un faisceau monochromatique qui traverse la cuve. On balaye une
certaine plage de longueur d’onde. On mesure l’absorbance.
I
I
A
0
log=
= ε
λ
l[c]
On ne fait que la fiole jaune en direct. Les autres ont été faites en préparation.
Commenter les courbes : espèce acide colorée en jaune. On aura donc un pic d’absorbance pour
la longueur d’onde correspondant à la couleur complémentaire. Idem pour la forme basique. La
solution tampon, quant à elle, est composée des 2 couleurs, donc 2 max. (illustration de
l’additivité : si la substance colorée est composées d’un mélange de plusieurs couleurs,
l’absorbance totale est la somme de l’absorbance de chaque couleur)
Pour avoir une valeur du pKa, on a besoin de faire les mesures sur la solution de pH=7,05 pour
avoir présence en solution de l’espèce basique et de l’espèce acide.
Pour déterminer le pKa, on utilise la formule suivante :
AA AA
logpHpKa
A
HA
−
−
+=
−
et on prend les
valeurs des absorbances pour λ=620 nm (car écart grand entre les A à cette longueur d’onde,
d’où une meilleure précision)
A
HA
= 0,0121 A
HA
= 0,614 A = 0,272
Le calcul donne pKa=7,17 alors que la valeur tabulée est de 7,1
IV. Suivi cinétique d’une réaction
Accompagnement TS oblig ou 100 manip n°79
Les couleurs des solutions que nous avons étudiées jusque là étaient constantes au cours du
temps. Il est possible d’utiliser la spectrophotométrie pour faire un suivi temporel d’une réaction,
en d’autres mots, pour effectuer un suivi cinétique.
Définition de la vitesse de réaction (pour un système fermé isochore homogène)
  1
 1
k : constante de vitesse ; α
i
: ordre partiel ; Σ α
i
: ordre globale
Spectro. Attention : faire le blanc avec KI. A faire en préparation. On peut relancer l’acquisition
devant le jury, mais on fera l’interprétation avec les points pris en préparation.
Constante de vitesse
Conclusion
BIBLIO
Questions
I
0
I