Propriétés spectrales des substances chimiques : Fiche Tle

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.
$$A=\text{log} \left(\dfrac{I_0}{I}\right)$$
$(I)$ est l’intensité lumineuse transmise.
$(I_0)$ 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 $A$ d’une espèce chimique en fonction de la longueur d’onde $\lambda$ de la radiation.
$\lambda_{\text{max}}$ 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

$$A=\varepsilon \times l \times C$$

$$A= k \times C$$

$A$ : absorbance de la solution
$\varepsilon$ : coefficient d’extinction molaire $(\text{L}\cdot \text{mol}^{-1}\cdot \text{cm}^{-1})$
$l$ : épaisseur de la cuve traversée $(\text{cm})$
$C$ : concentration en quantité de matière de l’espèce chimique $(\text{mol}\cdot \text{L}^{-1})$

$\varepsilon \times l$ : constante $k$
$k$ : coefficient de proportionnalité $(\text{L}\cdot \text{mol}^{-1})$

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 $X$ à différentes concentrations connues.
On trace la courbe $A=f(C)$ et on obtient une droite d’étalonnage.
On mesure ensuite l’absorbance de la solution de concentration inconnue contenant l’espèce chimique $X$, en utilisant la longueur d’onde $\lambda_{\text{max}}$.
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 $t$ en fonction du nombre d’onde $\sigma$.

Transmittance, en $\%$ : $\boxed{t=\dfrac{I_t}{I_0}}$

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

Transmittance de $100\%$ : le rayonnement IR n’est pas absorbé.
Transmittance de $0\%$ : 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.

Fiche de révision : Propriétés spectrales des substances chimiques et solutions

Spectroscopie UV-visible

Dosage spectrophotométrique

Spectroscopie infrarouge