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Propriétés spectrales des substances chimiques et solutions

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Spectroscopie UV-visible

  • Le spectrophotomètre
  • C’est un appareil qui permet de mesurer l’absorbance d’une solution à une longueur d’onde donnée.

physique chimie terminale propriétés spectrales des substances chimiques et solutions spectrophotomètre Schéma du principe d’un spectrophotomètre monofaisceau

  • Sur le schéma ci-dessus, le faisceau de lumière traversant la cuve voit son intensité modifiée.
  • L’absorbance
  • C’est une grandeur sans dimension, représentant la capacité d’une espèce chimique en solution à absorber une radiation.
    A=log(I0I)A=\text{log} \left(\dfrac{I_0}{I}\right)
  • (I)(I) est l’intensité lumineuse transmise.
  • (I0)(I_0) est l’intensité lumineuse incidente.
  • Pour tracer un spectre UV-visible, il faut mesurer l’absorbance d’une solution à différentes longueurs d’onde, appartenant au domaine du visible ou à une partie des ultraviolets.
  • Le spectre d’absorption UV-visible
  • C’est un graphique qui représente l’absorbance AA d’une espèce chimique en fonction de la longueur d’onde λ\lambda de la radiation.
  • λmax\lambda_{\text{max}} est une caractéristique propre à chaque espèce chimique et peut aider à identifier une espèce chimique en solution.
  • Le spectre d’absorption UV-visible permet également de retrouver la couleur d’une espèce chimique en solution.
  • La présence d’un groupe caractéristique dans la molécule peut également modifier sa couleur.

Dosage spectrophotométrique

Loi de Beer-Lambert

A=ε×l×CA=\varepsilon \times l \times C A=k×CA= k \times C

AA : absorbance de la solution
ε\varepsilon : coefficient d’extinction molaire (Lmol1cm1)(\text{L}\cdot \text{mol}^{-1}\cdot \text{cm}^{-1})
ll : épaisseur de la cuve traversée (cm)(\text{cm})
CC : concentration en quantité de matière de l’espèce chimique (molL1)(\text{mol}\cdot \text{L}^{-1})

ε×l\varepsilon \times l : constante kk
kk : coefficient de proportionnalité (Lmol1)(\text{L}\cdot \text{mol}^{-1})

  • Selon la loi de Beer-Lambert, l’absorbance d’une espèce en solution est proportionnelle à la concentration en quantité de matière de celle-ci.
  • La loi de Beer-Lambert n’est valide que dans certaines conditions :
  • la lumière doit être monochromatique ;
  • la solution ne doit pas être trop concentrée ;
  • la solution doit être homogène ;
  • le soluté ne doit pas réagir sous l’effet de la lumière incidente.
  • Nous pouvons réaliser un dosage par étalonnage en utilisant la spectrophotométrie UV-visible.

Méthode :

  • On mesure, avec un spectrophotomètre UV-visible, l’absorbance des solutions étalons contenant l’espèce chimique XX à différentes concentrations connues.
  • On trace la courbe A=f(C)A=f(C) et on obtient une droite d’étalonnage.
  • On mesure ensuite l’absorbance de la solution de concentration inconnue contenant l’espèce chimique XX, en utilisant la longueur d’onde λmax\lambda_{\text{max}}.
  • On exploite la droite d’étalonnage pour déterminer la concentration de la solution étudiée.

Spectroscopie infrarouge

  • La spectroscopie IR permet de repérer la présence de certaines liaisons et d’en déduire les groupes caractéristiques présents dans la molécule.
  • Le spectre d’absorption IR d’une espèce chimique représente graphiquement la transmittance tt en fonction du nombre d’onde σ\sigma.

Transmittance, en %\% : t=ItI0\boxed{t=\dfrac{It}{I0}}

Nombre d’onde, en cm1\text{cm}^{-1} : σ=1λ\boxed{\sigma= \dfrac{1}{\lambda}}

  • Transmittance de 100%100\% : le rayonnement IR n’est pas absorbé.
  • Transmittance de 0%0\% : le rayonnement IR est totalement absorbé.
  • Chaque famille chimique comporte un groupe d’atomes caractéristique dont certaines liaisons présentent des bandes d’absorption caractéristiques pour des nombres d’ondes définis.