TP n°6 : principe de la spectrophotométrie

T.P. n°6 : principe de la spectrophotométrie
1. Principe de la méthode :
• Certaines solutions aqueuses sont incolores, c’est à dire qu’elles laissent passer la lumière visible quelle que
soit sa couleur.
Cite 2 exemples de solutions aqueuses incolores :
• D’autres solutions aqueuses sont colorées, c’est à dire qu’elles laissent passer la lumière pour certaines
couleurs, mais l’absorbent pour d’autres couleurs.
Cite 2 exemples de solutions aqueuses colorées :
Lorsqu’une solution aqueuse est colorée, elle absorbe d’autant plus la lumière qu’elle est concentrée.
Il est donc possible de déterminer la concentration en soluté apporté d’une solution en mesurant la quantité de
lumière qu’elle absorbe, ou qu'elle transmet.
2. Préparation des solutions étalon de chlorure de nickel NiCl
2
:
Tu disposes sur ta paillasse de trois solutions aqueuses, respectivement de chlorure de nickel NiCl
2
, de
chlorure de sodium NaCl et de chlorure de fer FeCl
3
, de mêmes concentrations en soluté apporté
• Rappelle la formule chimique de l'ion chlorure qui est présent dans ces trois solutions aqueuses:
• Déduis-en, en les justifiant, les formules chimiques des ions nickel, sodium et fer présents dans ces solutions
• Quelle est la couleur de la solution de chlorure de nickel ?
Quel est l'ion responsable de cette couleur ? justifie ta réponse.
• Remplis une burette graduée avec de l'eau distillée bien au dessus du niveau « 0 ».
Attends que les bulles d’air remontent et laisse s’écouler l’excédent de solution dans un « bécher
poubelle » (ce qui permet de remplir de solution l’extrémité inférieure de la burette) jusqu'à ce
que la partie inférieure du ménisque soit sur la graduation "0".
• Tu disposes d'une solution de chlorure de nickel NiCl
2
de concentration en soluté apporté C
0
=0,20 mol.L
–1
.
Verses-en environ 30 ou 40mL dans un bécher.
Prélève 5,0mL de cette solution à l'aide d'une pipette jaugée de 5,0mL (préalablement rincée avec cette
solution), puis verse cette prise d'essai dans un tube à essai n°0.
Fais de même pour les tubes à essai n° 1, 2 et 3.
• On va rajouter un volume V
1
d'eau distillée dans le tube à essai n°1 de façon à obtenir une solution fille de
concentration C
1
=0,15mol.L
–1
.
Calcule le facteur de dilution correspondant :
Calcule le volume de solution fille que tu dois préparer:
Déduis-en le volume V
1
d'eau distillée que tu vas rajouter dans le tube à essai n°1 grâce à la burette: V
1
=
Effectue la dilution, puis bouche et agite pour homogénéiser la solution obtenue.
• Calcule de même le volume V
2
d'eau distillée que tu dois rajouter dans le tube à essai n°2 de façon à obtenir
une solution fille de concentration C
2
=0,10mol.L
–1
. Effectue la dilution puis homogénéise. V
2
=
• Calcule enfin le volume V
3
d'eau distillée que tu dois rajouter dans le tube à essai n°3 de façon à obtenir
une solution fille de concentration C
3
=5,0.10
–2
mol.L
–1
. Effectue la dilution puis homogénéise. V
3
=
0
1
C
=0,20 mol.L
–
1
1
1
0,5
2
0,5
1
0,5
1
0,5
1
0,5

• Complète ta série de 4 tubes à essai par un cinquième tube contenant environ 10mL d'eau distillée.
Dispose ces tubes côte à côte sur un portoir, dans l'ordre des concentrations croissantes... tu as ainsi réalisé
une échelle de teinte pour les solutions aqueuses de chlorure de nickel NiCl
2
.
• Comment varie la teinte des solutions avec leurs concentrations ?
• Propose un protocole pour déterminer la concentration inconnue de la solution de chlorure de nickel notée X.
• Quelle valeur proposes-tu pour cette concentration, notée C
X
=
Cette détermination te parait-elle précise? explique pourquoi.
Appelle le prof pour vérifier ton protocole et tes résultats
3. Fonctionnement du module "spectrophotomètre" :
Tu disposes sur ta paillasse d’un boitier contenant:
* d'un côté une DEL (diode électroluminescente) en série
avec un conducteur ohmique de résistance R
1
* de l'autre une photodiode en série avec un conducteur
ohmique de résistance R
2
.
Il est possible, en soulevant le couvercle du module, d’intercaler
entre la DEL et la photodiode une cuve en plastique contenant
une solution aqueuse colorée.
Lorsque la DEL est traversée par un courant d'intensité I
1
, elle émet de la lumière, d'autant plus que I
1
est grand.
Lorsque la photodiode reçoit de la lumière, elle laisse passer un courant d'intensité I
2
proportionnelle à la
quantité de lumière reçue.
La tension U
2
aux bornes du conducteur ohmique R
2
est proportionnelle à l'intensité du courant I
2
.
• Réalise le montage ci-contre en utilisant le module,
un générateur de tension capable de délivrer une
tension fixe de 15V et une tension ajustable 0-10V,
et un voltmètre pour mesurer la tension U
2
.
La masse correspond à une borne noire du générateur.
• Quel est le rôle joué par la DEL ?
• Quel est le rôle joué par la photodiode ?
• A quoi sert le voltmètre ? Quelle information pourra-t-on déduire de la valeur qu'il affiche?
• Quelle est la couleur de la lumière qui traverse la cuve intercalée entre la DEL et la photodiode ?
• Cette couleur sera-t-elle absorbée par les solutions de NiCl
2
? justifie ta réponse
Compte tenu du fait que la cuve que l'on va utiliser ainsi que le solvant « eau » absorbent eux-mêmes un peu de
lumière, il est nécessaire de tarer l’appareil de mesure en y introduisant tout d’abord une cuve remplie d’eau
seulement.
Attention! il faut manipuler la cuve en la tenant par les faces striées, et la disposer dans le module de façon à ce
que la lumière traverse les faces lisses et transparentes.
V
COM
+15V
0-10V
lumière
R
2
I
2
photo
diode
R
1
I
1
DEL
U
2
U
1
2
2
0
,5
1
1
0,5
0,5
0,5
0,5
1
0,5
1

• Ajuste alors la valeur de la tension U
1
de façon à ce que le voltmètre affiche U 2 =1,00V sur le calibre 2V.
Ce réglage ne doit plus être modifié dans la suite du TP.
Appelle le prof pour vérifier ton montage et tes réglages
4. Etalonnage du spectrophotomètre :
• Place successivement dans la cuve les solutions aqueuses de chlorure de nickel en commençant par la moins
concentrée et indique dans le tableau ci-dessous les valeurs de U 2 correspondantes :
C en mol.L
–1
0 0,05 0,10 0,15 0,20
U 2 en V
• Trace ci-dessous la courbe U 2 = f(C) et donne un titre à ton graphe.
• Quelle est l’allure de cette courbe ? (rectiligne ou pas, passant par l'origine du graphe ou pas,...)
Les grandeurs U
2 et C sont-elles proportionnelles ? justifie ta réponse.
• Cette courbe est-elle croissante ou décroissante ?
Comment peut-on expliquer cette constatation ?
5. Détermination d'une concentration inconnue :
Tu disposes d'une solution de chlorure de nickel de concentration C
X
inconnue.
Propose un protocole pour déterminer C
X
le plus précisément possible et donne le résultat trouvé: C
X
=
3
2
2
2,5
1
1
1
1
1
0,5

6. cette méthode est-elle utilisable avec les autres solutions ?
• Mesure la valeur prise par U
2
lorsqu'on teste les solutions de chlorure de sodium NaCl et de chlorure de fer
FeCl
3
disponibles sur ta paillasse.
• Compare avec la valeur prise par U
2
lorsqu'on a testé la solution de NiCl
2
de même concentration et essaye
d'expliquer les écarts observés. Pourrait-on utiliser la méthode étudiée dans ce TP pour déterminer la
concentration inconnue d'une solution de chlorure de sodium NaCl ou de chlorure de fer FeCl
3
?
7. Notion d'absorbance A d'une solution colorée:
La tension électrique U
2
mesurée précédemment est proportionnelle à la quantité de lumière qui traverse la
solution aqueuse placée dans la cuve en plastique: on dit qu'elle est proportionnelle à la transmittance T de
cette solution. La transmittance diminue lorsque la concentration en espèce colorée augmente.
A l'inverse, on peut définir une grandeur appelée absorbance de la solution aqueuse et qui mesure sa capacité à
absorber la lumière qui la traverse: c'est une grandeur sans unité, notée A.
Pour le module précédent, on peut écrire la relation: A = log ( )
où log correspond à une fonction mathématique appelée "logarithme en base 10".
C'est la fonction inverse de la fonction "10 puissance", c'est à dire si y = log(x) alors x = 10
y
U
0
est la tension mesurée par le voltmètre lorsque la concentration de l'espèce colorée est nulle, c'est à dire pour
l'eau distillée. Nous avons choisi précédemment la valeur U
0
= 1,00V.
• Complète le tableau ci-contre à partir
des mesures effectuées précédemment.
• Trace le graphe A = f(C) et détermine à nouveau la concentration C
X
le plus précisément possible : C
X
=
• conclue sur l'intérêt d'avoir introduit la notion d'absorbance.
C en mol.L
–1
0 0,05 0,10 0,15 0,20
absorbance A
U
0
U
2
4
1
2
2
2,5
1
1