Comme nous l'avons appris, la cinétique chimique est l'étude des vitesses de réaction.
Pour connaître la vitesse d'une réaction chimique, l'étude cinétique nécessitera de surveiller la concentration d'un réactif ou d'un produit particulier au cours du temps, pour voir de quelle façon ils sont utilisés ou formés.
Bien sûr, nous ne pouvons pas voir les molécules et les compter, elles sont trop petites et trop nombreuses.
Nous pouvons mesurer la masse d'un précipité au moment où il se forme, ou nous pouvons mesurer le volume ou même la pression d'un gaz qui est produit au cours du temps.
Mais que se passe-t-il si une réaction ne donne pas de produits dans une phase différente de celle de la solution ?
Heureusement, l'une des méthodes les plus fiables consiste à utiliser le dosage spectrophotométrique, qui est l'étude de cette façon dont la lumière interagit avec la matière.
Alors, penchons-nous maintenant sur cette technique !
- Ce résumé de cours porte sur le dosage spectrophotométrique.
- Tout d'abord, nous allons définir la spectrophotométrie.
- Nous examinerons ensuite le spectrophotomètre.
- Nous explorerons le spectre de la lumière blanche.
- Ensuite, nous explorerons le dosage spectrophotométrique, l'absorbance et la loi de Beer-Lambert.
- Nous verrons l'enregistrement d'un spectre avec un spectrophotomètre, les radiations et les longueurs d'onde.
- Enfin, nous présenterons le dosage par étalonnage spectrophotométrique en citant l'importance du cercle chromatique et le spectre d'absorption.
C'est quoi la spectrophotométrie ?
Toutes les molécules absorbent et émettent de la lumière différemment en fonction des types de liaisons covalentes présentes dans la molécule. Si les produits et les réactifs interagissent avec la lumière de manière suffisamment différente pour qu'il y ait un changement de couleur lors de la réaction.
Nous pouvons surveiller ce procédé à l'aide d'un instrument appelé spectrophotomètre afin de mesurer le changement de concentration.
La spectrophotométrie désigne toutes les méthodes de mesure basées sur la lumière qui fonctionnent avec un spectrophotomètre.
La spectrophotométrie est utilisée pour effectuer des mesures quantitatives sur des solutions ou d'autres colorants. La méthode la plus courante est la mesure par transmission, c'est-à-dire le passage de la lumière à travers le milieu optique. Cependant, les mesures sont également possibles par réflexion, c'est-à-dire par la réflexion de la lumière, qui est plus utilisée sur les surfaces solides.
Spectrophotomètre
Un spectrophotomètre est un instrument qui mesure la quantité de photons (l'intensité de la lumière) absorbés après avoir traversé une solution échantillon.
Avec un spectrophotomètre, il est possible de déterminer diverses caractéristiques de l'échantillon, comme la concentration de la solution.
La spectroscopie en lumière visible est limitée aux composés qui sont colorés.
Un spectrophotomètre présente toujours la même structure :
- une source de lumière
- monochromateur
- échantillon dans une cuvette
- détecteur
La figure suivante montre la structure d'un spectrophotomètre :
Fig.1- Représentation schématique d'un spectrophotomètre
Essayons ensemble de parcourir la figure de gauche à droite :
Source lumineuse
À gauche se trouve une source de lumière, qui peut être une ampoule électrique, par exemple. La lumière blanche (chaude) provient d'une ampoule à incandescence et de la plupart des autres sources de lumière.
La lumière blanche est polychromatique ("plusieurs couleurs") parce qu'elle est composée de nombreuses longueurs d'onde de couleurs différentes qui nous paraissent toutes blanches. La façon la plus simple de voir que la lumière est polychromatique est d'utiliser un prisme pour diffracter la lumière.
Si tu vois un spectre, c'est-à-dire une lumière qui se divise en plusieurs couleurs différentes, tu es en présence d'une lumière polychromatique.
Prisme
Le problème de la lumière polychromatique est qu'elle est toujours inutile pour notre mesure. Chaque échantillon absorbe la lumière à des longueurs d'onde différentes. On ne peut mesurer ni la longueur d'onde absorbée ni la quantité de lumière absorbée. Pour cette raison, un monochromateur est placé devant l'échantillon, qui laisse passer une longueur d'onde spécifique de la lumière. La longueur d'onde qui est autorisée à passer peut être réglée à l'avance.
Il existe différents monochromateurs. Le plus simple est constitué du prisme déjà mentionné ci-dessus. Imagine que tu tiens ton prisme devant la source lumineuse et que tu voies la lumière se diviser. Maintenant, il ne te reste plus qu'à bloquer tous les autres rayons lumineux à l'aide d'un diaphragme pour que seule la longueur d'onde souhaitée passe. Tu présentes déjà une lumière monochromatique ("une seule couleur") !
Spectre de la lumière blanche
Lorsqu'on décompose la lumière blanche à l’aide d'un prisme ou d'un réseau, on obtient le spectre de la lumière blanche.
Le spectre de la lumière blanche un spectre continu qui comprend toutes les radiations de la lumière visible de longueurs d'onde \( \lambda \) comprises entre \( 400 𝑛𝑚 \) et \( 800 𝑛𝑚 \).
Échantillon
La lumière traverse maintenant l'échantillon avec une certaine intensité initiale \(I_0 \) . Celui-ci se trouve dans une cuvette. L'essai doit cependant répondre à quelques exigences :
- La solution doit être homogène avec l'échantillon : elle doit être claire et non trouble. Sinon, la lumière se disperserait sur les fines particules de l'échantillon, tout comme la lumière polychromatique sur un prisme et la mesure serait faussée.
- L'échantillon doit absorber la lumière à la longueur d'onde mesurée.
- La concentration doit être faible, car à des concentrations élevées, la loi de Lambert-Beer ne s'applique plus.
La lumière traverse l'échantillon, perd de l'intensité et ne présente donc que l'intensité \( I \) .
Détecteur
La lumière ayant l'intensité \( I \) est maintenant captée par le détecteur, qui effectue une mesure d'intensité. À partir de l'intensité initiale connue du spectrophotomètre et de l'intensité après transmission à travers la solution contenant l'échantillon, le spectrophotomètre calcule la valeur de l'extinction.
Dosage par spectrophotométrie
Un dosage a pour principe de déterminer avec précision la quantité de matière ou la concentration d'une espèce dissoute en solution.
Absorbance
L'absorbance est le logarithme commun du rapport entre l'intensité initiale et l'intensité après passage de l'échantillon.
Sous forme de formule, cela ressemble à ceci :
$$ E_{ \lambda } = log_{10} ( \frac {I_0}{I} ) $$
Tu ne dois pas confondre l'extinction avec l'absorption, car l'extinction comprend tous les événements d'atténuation de la lumière.
Les événements d'atténuation de la lumière suivants peuvent se produire dans ton échantillon :
- L'absorption de la longueur d'onde par les molécules de l'échantillon dans la solution,
- la réflexion à la surface du liquide ou de la cuvette.
Afin de pouvoir mesurer l'absorption de manière spécifique, il convient de présenter les éléments suivants :
- Ton échantillon doit être bien dissous : Il ne doit plus y avoir de particules flottantes qui rendent ton échantillon laiteux ou inhomogène.
- Tu dois effectuer une mesure d'étalonnage avec la cuvette et ton solvant. Cela signifie que tu mets ton solvant (généralement de l'eau) et ta cuvette dans le spectrophotomètre et que tu appuies sur calibrer.
- Le spectrophotomètre mesure à nouveau l'extinction. Cependant, comme il n'y a pas de colorant, seule la réflexion de l'eau et de la cuvette est mesurée, ce qui est soustrait de l'absorbance lors des mesures suivantes.
Si tu as suivi ces étapes, tu as réussi à mesurer l'absorbance.
Loi de Beer-Lambert
Mais que peux-tu faire avec l'extinction maintenant ? C'est ici que la loi de Lambert-Beer vient à la rescousse. Elle représente désormais l'extinction en relation avec notre substance, sa concentration et l'épaisseur de la couche du milieu optique.
La loi de Lambert-Beer stipule que l'extinction à une certaine longueur d'onde est égale au coefficient d'extinction molaire décadaire \( \epsilon \) , (constante spécifique pour une longueur d'onde \( \lambda \) et une substance) multiplié par la concentration \( c \) de l'échantillon dans la solution, multiplié par l'épaisseur de la couche du milieu optique.
L'épaisseur de la couche est, pour ainsi dire, la largeur de la cuvette, qui est généralement normalisée à \( 1 cm \) .
La formule de la loi de Lambert-Beer :
$$ E_{ \lambda } = log_{10} ( \frac {I_0}{I} ) = \epsilon _{ \lambda } \times c \times d $$
À gauche, tu vois la définition de l'extinction à l'aide du logarithme décimal du rapport d'intensité. À droite, tu peux voir la loi de Lambert-Beer.
Donc, si l'épaisseur de la couche reste constante, ainsi que le coefficient d'extinction molaire décadaire, il y a ici une fonction linéaire. Cette ligne droite augmente au fur et à mesure que la concentration de l'échantillon dans la solution augmente.
La loi de Lambert-Beer ne s'applique qu'aux petites concentrations du colorant. Vu sous cet angle, il existe une limite supérieure pour l'extinction. Regarde-le de cette façon : Ta solution est noire, donc aucune lumière ne peut la traverser. Si tu ajoutes du colorant, la concentration augmente, mais la solution ne peut pas devenir plus noire.
Pour plus d'informations sur la loi de Beer-Lambert ,veuille consulter notre résumé de cours sur Loi De Beer-Lambert !
Enregistrement d'un spectre avec un spectrophotomètre : Radiation
Pour déterminer la concentration d'un analyte dans l'échantillon, il suffit généralement de mesurer l'extinction ou l'absorption de la solution. Cependant, si tu veux caractériser ton analyte de manière plus précise, tu peux présenter un spectre.
En règle générale, l'extinction est mesurée individuellement pour chaque longueur d'onde à une concentration et une épaisseur de couche spécifiées. Mais comme tu n'as pas envie de te tenir devant ton spectrophotomètre, de calibrer chaque longueur d'onde individuellement et de les mesurer ensuite, les spectromètres modernes sont utilisés aujourd'hui pour faire ce travail à ta place.
D'ailleurs, dès que nous commençons à parler de spectres, nous ne sommes plus dans la simple spectrophotométrie, mais dans la spectroscopie, ou plus précisément dans la spectroscopie \( UV/VIS \) . Ce nom vient du fait que ces spectres sont enregistrés du domaine \( UV \) au domaine visible de la lumière.
Longueurs d'onde
Le domaine UV correspond à des longueurs d'onde de \( 100 \) à \( 380 \space nm \) et le domaine visible à des longueurs d'onde de \( 380 \) à \( 780 \space nm \) .
Dosage par étalonnage spectrophotométrique
Imagine que tu présentes une solution avec une concentration inconnue d'un analyte que tu connaisses, que nous appelons maintenant matériel d'étude. Tu peux voir que la solution avec la substance étudiée semble rouge et tu peux également déjà savoir, grâce au chapitre de StudySmarter sur les colorants, que les substances paraissent toujours dans la couleur complémentaire de la couleur absorbée.
Étalonnage
Pour réaliser le dosage par étalonnage, nous utiliserons une gamme étalon et des solutions filles de différentes concentrations préparées à partir d'une solution mère plus concentrée.
Ensuite, afin de tracer la courbe d'étalonnage, tu mesures l'extinction qui varie en fonction de la concentration.
Cercle chromatique : longueur d'onde
Tu prends un cercle chromatique marqué avec des longueurs d'onde et tu vois que la couleur complémentaire du rouge que tu vois est le bleu-vert et tu décides donc d'effectuer plusieurs mesures avec des échantillons que tu as présentés avec la substance d'étude à différentes concentrations à une longueur d'onde de \( 640 \space nm \) .
Spectre d'absorption
La mesure est un succès total, tu as effectué cinq mesures et obtenu le tableau de valeurs suivant :
Concentration du matériau d'apprentissage en \( mol. dm^{-3} \) | Extinction |
| \( 0,2 \) | \( 0,05 \) |
| \( 0,3 \) | \( 0,075\) |
| \( 0,4 \) | \( 0,1 \) |
| \( 0,6 \) | \( 0,15 \) |
| \( 1,0 \) | \( 0,25 \) |
| \( 1,6 \) | \( 0,40 \) |
Essaie maintenant de dessiner un diagramme à partir de ces valeurs.
Inscris la concentration sur l'axe des \( x \) . Il est logique d'essayer d'y aller par pas de \( 0,1 \) . Tu dois reporter l'extinction sur l'axe des y, qui ne présente d'ailleurs aucune unité.
Coefficient d'extinction molaire
Ton diagramme devrait ressembler à ceci. Maintenant, tu mesures enfin ton échantillon avec une concentration inconnue de matériel pédagogique.
Pour cela, tu obtiens une extinction de \( 0,225 \) . Tu peux facilement lire la concentration de l'échantillon sur le diagramme si tu essaies de suivre l'axe des y au niveau de l'extinction de \( 0,225 \) jusqu'à la ligne droite. De là, tu essaies de lire la valeur sur l'axe des \( x \) .
Fig.3- Exemple de diagramme de mesure d'absorbance et de la concentration
Fini ? Tu devrais obtenir environ \( 0,9 \space mol/l \) pour la concentration de l'échantillon et ça peut être aussi simple que ça !
Au fait, tu obtiens ici le coefficient d'extinction molaire et décadique à partir de la pente, mais n'oublie pas de le diviser par ta longueur de trajet de \( 1 \space cm \) !
Dosage spectrophotométrique - Points clés
- La spectrophotométrie fait référence à toutes les méthodes de mesure basées sur la lumière qui fonctionnent avec un spectrophotomètre.
- Un spectrophotomètre est un instrument qui mesure la quantité de photons (l'intensité de la lumière) absorbés après avoir traversé une solution échantillon.
- Un spectrophotomètre présente toujours la même structure : une source de lumière, monochromateur, échantillon dans une cuvette et un détecteur.
- La lumière monochromatique est obtenue grâce au prisme qui sert à bloquer tous les autres rayons lumineux.
- La lumière blanche comprend toutes les radiations visibles dont les couleurs se situent entre le rouge et le violet.
- Un dosage a pour principe de déterminer avec précision la quantité de matière ou la concentration d'une espèce dissoute en solution.
- L'absorbance est le logarithme commun du rapport entre l'intensité initiale et l'intensité après passage de l'échantillon.
- La loi de Lambert-Beer stipule que l'extinction à une certaine longueur d'onde est égale au coefficient d'extinction molaire décadaire \(\epsilon \) , (constante spécifique pour une longueur d'onde \( \lambda \) et une substance) multiplié par la concentration \( c \) de l'échantillon dans la solution, multiplié par l'épaisseur de la couche du milieu optique.
- L'extinction comprend tous les phénomènes d'affaiblissement de la lumière : absorption, réflexion et réfraction de la lumière sur les plus petites particules.
- La lumière visible est comprise entre \( 380 \) et \( 780 \space nm \).
- La lumière UV se situe dans la gamme de \( 100 \) à \( 380 \space nm \).
- Si l'on enregistre des spectres, on ne parle plus de spectrophotométrie, mais de spectroscopie UV/VIS.
- Pour réaliser le dosage par étalonnage spectrophotométrique, nous utiliserons une gamme étalon et des solutions filles à partir d'une solution mère plus concentrée. Ensuite, afin de tracer la courbe d'étalonnage, on mesure l'extinction qui varie en fonction de la concentration.
- Le cercle chromatique est une représentation ordonnée des couleurs et marquée avec des longueurs d'onde.
- Le spectre d'absorption permet d'obtenir une courbe qui indique la valeur de l'absorbance de la solution en fonction de la longueur d'onde.
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