Expérience 2 Préparation de solutions et spectrophotométrie








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date de publication11.09.2017
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Expérience 2 – Préparation de solutions et spectrophotométrie

Préparation de solutions et spectrophotométrie

Objectif général :
Déterminer la concentration d'une solution par spectrophotométrie.
Objectifs spécifiques :
Déterminer le mode de préparation de solutions à partir d'une solution plus concentrée.

Utiliser correctement une pipette, une fiole jaugée et un spectrophotomètre.

Déterminer la longueur d'onde optimale pour des mesures d'absorbance.

Tracer une courbe d'étalonnage.

Déterminer graphiquement une grandeur physique par interpolation sur une courbe d'étalonnage ou à l’aide de l’équation de la droite.

La théorie

La mesure de l’absorbance

Lorsqu'un soluté donne une coloration à une solution, il est possible d'en déterminer la concentration par l'utilisation d'un spectrophotomètre. Si, par exemple, la solution a une couleur jaune, cela signifie que la substance en solution absorbe la couleur complémentaire du jaune, c’est-à-dire le bleu. La longueur d’onde où l’absorption sera la plus importante se situera donc dans la région du bleu (415 à 480 nm). Il en va de même pour les autres couleurs. Il faut donc auparavant procéder à une analyse spectrale du composé coloré en le soumettant à différentes longueurs d’onde afin de déterminer la longueur d’onde qui correspond à une absorption maximale.
Un spectrophotomètre est un appareil qui permet de sélectionner une longueur d’onde spécifique et d’y soumettre un échantillon coloré. Si l’échantillon absorbe la longueur d’onde choisie, on pourra le mesurer et relier cette valeur à la concentration de la substance en solution car il existe une relation quantitative entre l’intensité de l’absorption lumineuse et la concentration d’une solution. Le schéma qui suit résume le fonctionnement de l’appareil.

Schéma interne de base d’un spectrophotomètre



Il existe divers appareils plus ou moins sophistiqués permettant d’obtenir les spectres UVvisibles des substances. Certains permettent de travailler dans les deux régions spectrales, alors que d’autres fonctionnent seulement dans le visible. Les composantes principales de ces appareils sont :
• la source lumineuse, différente selon que l’on travaille dans le visible (une lampe au tungstène) ou dans l’UV (généralement, une lampe à la vapeur de deutérium) ;

l’analyseur, dont la fonction est de décomposer la lumière en ses différentes longueurs d’onde, qui peut être un prisme, mais plus généralement, un réseau de diffraction ;

• un puits permettant de placer l’échantillon dans le parcours du faisceau lumineux ;

• un détecteur qui traduit la puissance lumineuse lui parvenant en signal électrique ;

• des cellules (ou cuvettes sur le schéma), petites éprouvettes contenant les solutions dont on veut mesurer l’absorption ; ces cellules, en quartz ou en verre, de dimensions très précises, sont introduites dans le puits.
Le spectrophotomètre mesure ainsi l’absorbance (A) d’une solution, c’est-à-dire le logarithme du rapport entre l’intensité de la lumière avant (Io) et après (I) la traversée de l’échantillon. L’absorbance est reliée à la concentration de l’échantillon par la relation de Beer-Lambert :


A =  l c




A : l’absorbance de la solution

c : la concentration de l’échantillon, en mol/L

l : l’épaisseur de la solution traversée par le faisceau lumineux

 : le cœfficient d’absorption molaire (ou cœfficient d’extinction molaire)







Io : l’intensité de la radiation incidente

I : l’intensité de la radiation émise


On constate que la première équation est celle d’une droite passant par l’origine (y = mx), de pente égale à l. Pour un dosage donné, l est maintenu constant et  l’est également, puisque ces paramètres sont fonction de la nature de la molécule absorbante, du solvant utilisé et de la longueur d’onde de travail, tous ces facteurs étant maintenus constants au cours d’une même analyse.
En théorie, si on connaît la valeur de  pour une substance, dans des conditions données, on peut déduire par interpolation la concentration d’une solution par la mesure de l’absorbance correspondante.
En pratique, il est préférable de tracer la courbe d’étalonnage, c’est-à-dire la courbe de l’absorbance en fonction de la concentration (A =f(c)) mesurée pour plusieurs solutions étalon (des solutions dont on connaît très précisément la concentration) et d’en déduire, par interpolation, la concentration des solutions à analyser (voir la figure ci-contre ). Lorsqu’on utilise le logiciel Excel pour tracer la courbe, on peut facilement déterminer la concentration en utilisant l’absorbance mesurée et l’équation de la droite déterminée par le logiciel.


La préparation des solutions étalon

La solution qui servira à préparer, par dilution, les solutions étalon est appelée solution mère. Pour préparer une dilution, il s’agit de mesurer un volume de solution mère qui contient le nombre de moles (n) de soluté qu’on veut retrouver dans la solution diluée, puis d’ajouter suffisamment de solvant pour obtenir le volume de solution diluée désiré. Ainsi,

nconc = ndil
Dans cette expérience, la solution mère aura une concentration de 0,500 mol/L. On préparera cinq solutions étalon, dont la concentration s'étalera de 0,0200 à 0,0600 mol/L. Sachant qu'il faudra 50 mL de chacune de ces solutions, on pourra calculer le volume nécessaire de solution mère en appliquant l'équation suivante, qui découle de l’équation précédente :

cconcVconc = cdilVdil
Par exemple, pour préparer 50 mL d’une solution diluée à 0,0100 mol/L à partir de la solution mère, on utilise la formule ainsi :

Vconc =
Donc, pour obtenir 50 mL de solution diluée à 0,0100 mol/L, il suffit de mesurer précisément, à l’aide d’une pipette appropriée, 1,0 mL de solution mère et de transférer ce volume dans une fiole jaugée de 50 mL. En ajoutant de l’eau distillée jusqu’à la jauge et en agitant le tout convenablement, on obtient la solution désirée (voir la démonstration par le professeur).
Afin d'obtenir le meilleur résultat possible, le spectrophotomètre émet un faisceau lumi­neux monochromatique, c'est-à-dire composé d'une seule longueur d'onde ; le faisceau possède donc une couleur qui lui est propre. Comme on l’a mentionné plus haut, on choisit la couleur complémentaire du soluté, car c'est pour cette couleur que l'absorbance est maximale. Pour le sulfate cuivrique (CuSO4), qui est de couleur bleue, l'absorbance est donc maximale à une longueur d'onde qui correspond à une couleur rouge. Afin de déterminer cette longueur d'onde, il faudra d'abord mesurer l'absorbance dans la région du spectre visible proche du rouge (de 640 à 920 nm) ; la longueur d'onde optimale sera celle à laquelle l'absorbance mesurée est la plus grande.
Pour préparer adéquatement l’expérience, on doit calculer à l’avance le volume de solution mère requis pour la préparation de chacune des solutions étalon dans le but d’obtenir les concentrations indiquées au tableau qui suit et le compléter avec les résultats obtenus.

Données nécessaires à la préparation des solutions étalon





Concentration en sulfate cuivrique des solutions étalon (mol/L)

Volume de solution mère nécessaire à la préparation des solutions étalon (mL)

0,0200




0,0300




0,0400




0,0500




0,0600




volume des solutions étalon à préparer : (50,00  0,02) mL

concentration de la solution mère de sulfate cuivrique : 0,500 mol/L

Les manipulations à effectuer



a) préparation des solutions étalon

Préparer les solutions étalon en utilisant des fioles jaugées de 50 mL et une pipette graduée appropriée pour prélever les quantités préalablement calculées de solution mère.
b) analyse spectrale

  1. Ajuster la longueur d'onde à 640 nm sur le spectrophotomètre.

  2. Calibrer le spectrophotomètre : verser du solvant (de l'eau distillée ici) dans une cuvette et ajuster l'appareil à 0 en appuyant sur le bouton approprié (attendre la démonstration par le professeur) ; cette opé­ration « informe » le spectrophotomètre que la solution se trouvant dans l'ap­pareil à cet instant pos­sède une absorbance de 0 (ce qui correspond à une concentration de 0 mol/L, puisqu'il s'agit du solvant pur).

  3. Verser la solution étalon la plus concentrée dans une cuvette jusqu'à environ 1 cm du bord et mesurer l'absorbance de cette solution.

  4. Augmenter la longueur d'onde de 20 nm.

  5. Répéter les étapes 2 à 4 jusqu'à une longueur d'onde de 920 nm. Noter les valeurs mesurées dans le tableau ci-dessous, ainsi que leurs incertitudes :


Absorbance du sulfate cuivrique en fonction de la longueur d’onde





longueur d’onde

absorbance

longueur d’onde

absorbance

(nm)

(s.u.)

(nm)

(s.u.)









640




800




660




820




680




840




700




860




720




880




740




900




760




920




780










concentration de la solution de sulfate cuivrique : 0,500 mol/L
6. Déterminer la longueur d'onde optimale (i.e. celle qui procure la plus grande absorbance).
Longueur d'onde optimale : ________________________
c) courbe d’étalonnage
1. Ajuster l'appareil à la longueur d'onde optimale et mesurer l'absorbance des solutions étalon, en utilisant chaque fois la même cuvette. Noter les valeurs obtenues et l’incertitude.

Absorbance du sulfate cuivrique en fonction de sa concentration


solution

absorbance (s.u.)

concentration du sulfate cuivrique (mol/L)

étalon 1




0,0200

étalon 2




0,0300

étalon 3




0,0400

étalon 4




0,0500

étalon 5




0,0600

inconnue







longueur d’onde d’absorbance maximale =
2. Verser de la solution inconnue dans la même cuvette, mesurer et noter son ab­sorbance.
Le compte-rendu
N.B. À des fins d’apprentissage, ce compte-rendu fera exceptionnellement l’objet d’un atelier de rédaction pour que les étudiants se familiarisent avec les normes de présentation des tableaux et des graphiques (voir en annexe) ainsi qu’avec l’utilisation du logiciel Excel. Cet atelier aura lieu une semaine après le laboratoire et se déroulera selon les indications du professeur.


  1. Construire un tableau présentant les données relatives à la préparation des solutions étalon : le volume de solution mère utilisé, sa concentration, la concentration des solutions étalon préparées et leur volume.




  1. Construire un tableau présentant les valeurs de longueur d'onde et d'absorbance de la solution utilisée pour la détermination de la longueur d'onde optimale.




  1. Construire un tableau présentant la concentration et l'absorbance des solutions étalon et de la solution inconnue ainsi que la longueur d'onde à laquelle les mesures ont été prises.




  1. Tracer un graphique de l'absorbance en fonction de la longueur d'onde de la solution utilisée pour la détermination de la longueur d'onde optimale.




  1. Tracer une courbe d'étalonnage ; elle doit inclure la détermination de la concentration de la solution in­connue, i.e. les valeurs numériques de son absorbance et de sa concentration de même que les pointillés les reliant.




  1. Montrez les calculs effectués pour déterminer les volumes de solution mère utilisés pour préparer les solutions étalon.






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