Dosages spectrophotométriques
Cours complet · chimie (première), chapitre 2 · première, spécialité physique-chimie
Travailler ce chapitre sur Adloun Exercices corrigés de ce chapitre
Comment mesurer la concentration d'une espèce colorée sans toucher à la solution ? En interrogeant la lumière qui la traverse : plus la solution est concentrée, plus elle absorbe. Ce chapitre relie la couleur d'une espèce à son spectre d'absorption, définit l'absorbance, énonce la loi de Beer-Lambert et en fait un outil de dosage : la gamme d'étalonnage.
2.1 Couleur d'une espèce en solution
Éclairée en lumière blanche, une espèce en solution absorbe certaines radiations et transmet les autres : l'œil perçoit la couleur complémentaire de la couleur absorbée (synthèse soustractive — chapitre « Lumière » du livre de physique).
Le cercle chromatique : deux couleurs diamétralement opposées sont complémentaires. Une solution qui absorbe dans le vert paraît magenta ; une qui absorbe dans le bleu paraît jaune-orangé.
2.2 Spectre d'absorption et absorbance
L'absorbance mesure la capacité d'une solution à absorber la lumière qui la traverse à une longueur d'onde donnée : pour une solution qui laisse tout passer, quand de la lumière est absorbée, pour . C'est une grandeur sans unité, mesurée au spectrophotomètre.
Le spectrophotomètre compare la lumière entrante et la lumière sortante à la longueur d'onde choisie. Avant toute mesure, on fait le blanc : réglage du zéro avec une cuve remplie de solvant seul, pour ne mesurer que l'absorption du soluté.
Le spectre d'absorption d'une espèce est la courbe de son absorbance en fonction de la longueur d'onde, . Son maximum indique la couleur la plus absorbée — et donc, par complémentarité, la couleur de la solution.
Spectre d'absorption d'une solution de permanganate de potassium : le pic à nm (vert) explique la couleur magenta-violet. C'est à que l'on se place pour doser : la mesure y est la plus sensible.
Méthode : Prévoir une couleur à partir d'un spectre
- Repérer sur le spectre ;
- identifier la couleur correspondante (– nm : bleu-violet ; – nm : vert ; – nm : jaune-orangé ; – nm : rouge) ;
- la couleur de la solution est la complémentaire (cercle chromatique).
2.3 La loi de Beer-Lambert
À longueur d'onde fixée, pour une solution diluée traversée sur une largeur de cuve donnée, l'absorbance est proportionnelle à la concentration de l'espèce colorée :
La proportionnalité exige : solutions diluées (en pratique à ), longueur d'onde fixée (on choisit ), une seule espèce absorbante à cette longueur d'onde, même cuve et même solvant. Hors de ce domaine, la droite s'incurve — c'est l'une des limites du protocole à tester.
À nm, une solution de permanganate à donne . Une solution inconnue donne dans les mêmes conditions :
— la proportionnalité en une ligne. Pour plus de fiabilité, on préfère toutefois une gamme de solutions : c'est le dosage par étalonnage.
2.4 Dosage par gamme d'étalonnage
Protocole expérimental : Doser une espèce colorée par étalonnage
- Préparer la gamme étalon : par dilutions successives d'une solution mère (chapitre 1), obtenir à solutions de concentrations connues encadrant la concentration cherchée ;
- régler le spectrophotomètre à , faire le blanc ;
- mesurer l'absorbance de chaque étalon, tracer en fonction de : les points s'alignent sur une droite passant par l'origine (Beer-Lambert validée) ;
- mesurer l'absorbance de la solution inconnue et lire sur la droite (graphiquement ou par , étant la pente).
La droite d'étalonnage : cinq étalons (points orange) alignés sur une droite passant par l'origine. La lecture inverse (pointillés verts) convertit l'absorbance de l'inconnue en concentration — à condition que tombe dans la gamme : on n'extrapole pas.
Trois vérifications de bon sens : les points hauts s'écartent-ils de la droite (sortie du domaine de linéarité) ? L'inconnue est-elle dans la gamme (sinon, la diluer d'un facteur connu et multiplier le résultat) ? Une autre espèce colorée absorbe-t-elle à (interférence) ?