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Analyser un système chimique par des méthodes physiques : déterminer la nature ou la quantité des espèces présentes en mesurant une grandeur physique (absorbance, conductivité, pression…), sans les faire réagir.

Spectroscopie

Spectroscopie UV-Visible

lampemonochromateur(choix de λ)I0Ccuve + solutionℓIdétecteur0,42

Définition

L'absorbance $A_\lambda$ d'une solution quantifie la proportion d'un rayonnement incident $I_0$ monochromatique absorbée en mesurant l'intensité du rayonnement transmis $I$.

Pour aller plus loinL'absorbance n'est pas un pourcentage

L'absorbance est définie par $A_\lambda = \log\left(\dfrac{I_0}{I}\right)$. Elle peut donc être supérieure à 1 : ce n'est pas un pourcentage.

  • $A = 0$ : toute la lumière est transmise ($I = I_0$) ;
  • $A = 1$ : seulement 10 % de la lumière est transmise ;
  • $A = 2$ : seulement 1 % de la lumière est transmise.

Définition

Le spectre ultraviolet-visible d'une solution est la courbe représentant l'absorbance $A_\lambda$ (sans unité) en fonction de la longueur d'onde $\lambda$, pour $\lambda$ pouvant aller d'environ 200 à 800 nm.

Question

Lorsque la solution absorbe dans le visible, comment peut-on relier un spectre d'absorption à la couleur perçue ?

À retenir

La solution agit comme un filtre. La couleur absorbée est donc complémentaire de la couleur perçue.

Animation interactive

Le cercle chromatique

jaune560–590 nmorange590–625 nmrouge-orange625–650 nmrouge650–800 nmmagentaviolet400–420 nmbleu indigo420–465 nmbleu465–485 nmcyan485–510 nmbleu-vert510–520 nmvert520–550 nmjaune-vert550–560 nmcliquez surune couleur

Cliquez sur la couleur absorbée par une solution pour trouver sa couleur perçue.

Animation interactive

Du spectre d'absorption à la couleur de la solution

couleur la plus absorbée

couleur de la solution

Colorant :

Les spectres sont simplifiés (bandes en forme de cloche). La couleur affichée est calculée à partir de la lumière transmise, pour une solution éclairée en lumière blanche.

Question

Quel devrait être le spectre d'un colorant vert ?

RéponseVoir la réponse

Il doit absorber le magenta, donc à la fois le rouge et le bleu. C'est le cas de la chlorophylle, dont le spectre présente deux grandes zones d'absorption, l'une dans le bleu-violet et l'autre dans le rouge : choisissez-la dans l'animation ci-dessus.

Spectroscopie infrarouge

Définition

La spectroscopie IR consiste à établir le spectre de transmittance d'un échantillon.

On trace la transmittance (en %) en fonction du nombre d'onde (en $\pu{cm^-1}$), une grandeur proportionnelle à la fréquence.

À retenir

  • Plus la transmittance est faible et plus l'absorbance est grande.
  • Le nombre d'onde est l'inverse de la longueur d'onde : $\dfrac{1}{\lambda} = \dfrac{f}{c}$.

La spectroscopie infrarouge exploite le fait que les molécules possèdent des fréquences spécifiques pour lesquelles elles vibrent en correspondance avec des niveaux d'énergie discrets (modes vibratoires).

À retenir

Ces fréquences de résonance dépendent de la nature de la liaison entre les atomes.

Et pour chaque résonance, on obtient un creux dans le spectre de transmittance (correspondant à une forte absorbance du rayonnement IR).

Animation interactive

Les 4 modes de vibration de la molécule de $\ce{CO2}$

Mode de vibration :

Pour aller plus loinPourquoi l'élongation symétrique n'absorbe-t-elle pas ?
Pourtant son nombre d'onde est bien dans l'infrarouge 🧐

Avoir une fréquence propre dans l'infrarouge est nécessaire, mais pas suffisant. Il faut aussi que l'onde puisse « mettre en mouvement » la molécule selon ce mode de vibration.

Le champ électrique de l'onde infrarouge oscille et exerce des forces sur les charges de la molécule. Dans $\ce{CO2}$, les atomes d'oxygène portent une petite charge négative, l'atome de carbone une charge positive. La longueur d'onde (quelques micromètres) étant immense devant la taille de la molécule (un dixième de nanomètre), le champ est le même partout sur la molécule à un instant donné : il pousse les deux atomes d'oxygène dans le même sens, et le carbone dans le sens opposé.

Dans l'élongation antisymétrique et dans les déformations, les deux atomes d'oxygène se déplacent justement dans le même sens, le carbone dans l'autre : l'onde peut entretenir ces mouvements et leur céder de l'énergie, d'où l'absorption. Dans l'élongation symétrique, au contraire, les deux oxygènes partent dans des sens opposés : une force identique sur les deux ne peut pas provoquer ce mouvement. L'onde passe sans être absorbée, quelle que soit sa fréquence.

Les physiciens le formulent ainsi : une vibration n'absorbe l'infrarouge que si elle fait varier le moment dipolaire de la molécule (la séparation moyenne entre ses charges + et −). L'élongation symétrique de $\ce{CO2}$ s'observe d'ailleurs par une autre technique, la spectroscopie Raman.

Pour aller plus loinSimuler et explorer des spectres IR

Données : bandes d'absorption caractéristiques

LiaisonNombre d'onde (cm−1)Position sur le spectre
4 0001 500400
Allure de la bande
O–Halcool (libre, état gazeux)3 580 – 3 670
moyennefine
O–Halcool (lié)3 200 – 3 400
fortelarge
O–Hacide carboxylique2 500 – 3 200
fortetrès large
N–Hamine3 100 – 3 500
moyenne
C–Htoutes les molécules organiques2 800 – 3 100
moyenne à forte
C=Oaldéhyde, cétone, acide, ester1 650 – 1 750
fortefine
C=Calcène1 620 – 1 680
moyenne

En dessous de 1 500 cm−1 (zone grisée), la « zone d'empreinte digitale » contient de nombreuses bandes propres à chaque molécule, difficiles à attribuer individuellement.

Animation interactive

Reconnaître une famille de molécules à son spectre

Molécule :

Pour aller plus loinO–H « lié » ou O–H « libre » ?

Un O–H « lié ». Dans un alcool liquide, l'atome d'hydrogène du groupe O–H, porteur d'une charge partielle positive, est attiré par un atome d'oxygène d'une molécule voisine, porteur d'une charge partielle négative : c'est une liaison hydrogène ou pont hydrogène. Chaque groupe O–H est ainsi « lié » à ses voisins.

C2H5OHδ−δ+liaison hydrogèneOδ−C2H5H…

Ce que cela change sur le spectre. L'atome d'hydrogène, tiré à la fois par son propre oxygène et par celui du voisin, est un peu moins fermement retenu : la liaison O–H est affaiblie et vibre à une fréquence plus basse, d'où une bande vers 3 200 – 3 400 cm−1. Et comme les liaisons hydrogène n'ont pas toutes la même longueur ni la même orientation dans le liquide, chaque groupe O–H vibre à une fréquence légèrement différente : toutes ces bandes se superposent en une bande large.

Un O–H « libre ». À l'état gazeux (ou en solution très diluée dans un solvant qui ne forme pas de liaisons hydrogène), les molécules sont trop éloignées les unes des autres pour interagir. Le groupe O–H n'est plus lié : sa liaison n'est pas affaiblie, et tous les groupes O–H vibrent à la même fréquence. On obtient une bande fine, à plus grand nombre d'onde, vers 3 600 – 3 700 cm−1. Comparez « éthanol » et « éthanol gazeux » dans l'animation ci-dessus.

Dans un acide carboxylique, les molécules s'associent entre elles par deux liaisons hydrogène très fortes : la liaison O–H est encore plus affaiblie, d'où une bande encore plus basse et très large (2 500 – 3 200 cm−1).

Petite bizarrerie

L'axe des abscisses (le nombre d'onde en $\pu{cm^-1}$) est orienté vers la gauche !

Dosage par étalonnage

Définition

Type de dosage non destructif consistant à :

  1. mesurer une propriété physique sur une gamme étalon de solutions de concentrations connues (obtenues par dilution d'une solution mère),

  2. tracer la courbe d'étalonnage,

  3. mesurer la propriété physique sur la solution mystère et utiliser la courbe d'étalonnage (ou la proportionnalité si possible) pour déterminer sa concentration.

Spectrophotométrique

Définition

Dans le cas d'un dosage par étalonnage spectrophotométrique, la propriété physique mesurée est l'absorbance de la solution à une longueur d'onde donnée.

Conditions d'application

  • la solution doit absorber la lumière UV-visible (la solution est généralement colorée),
  • à la longueur d'onde choisie, l'espèce dosée doit être la seule à absorber le rayonnement.

À retenir

Pour une sensibilité maximale et se prémunir au mieux de l'absorbance d'autres espèces, on choisit pour longueur d'onde de travail la longueur d'onde $\lambda_{max}$ correspondant au maximum d'absorbance du spectre de l'espèce étudiée.

Les mesures se font au spectrophotomètre (voir son principe au début de la page).

Loi de Beer-Lambert

Pour une longueur d'onde $\lambda$ donnée et une largeur de cuve fixée, l'absorbance $A_\lambda$ d'une espèce chimique en solution diluée est proportionnelle à la concentration $C$ en quantité de matière de cette espèce chimique.

Version simple

$$A_\lambda=k\times C$$

$A_\lambda$ sans unité$C$ en $\pu{mol*L-1}$$k$ en $\pu{L*mol-1}$

Version complète

$$A_\lambda=\varepsilon_\lambda \times \ell \times C$$

$\ell$ (en $\pu{cm}$) : épaisseur de la cuve$\varepsilon_\lambda$ (en $\pu{L*mol-1*cm-1}$) : coefficient d'absorption molaire

Attention

Le domaine de validité de la loi de Beer-Lambert suppose que l'absorbance et donc la concentration reste modérée.

Protocole du dosage

  1. Tracer ou obtenir dans la littérature le spectre de l'espèce étudiée puis régler le spectrophotomètre sur $\lambda_{max}$.

  2. Réaliser une gamme étalon par dilution d'une solution mère de concentration connue contenant l'espèce absorbante étudiée.

  3. Faire le zéro du spectrophotomètre en plaçant une cuve ne contenant que le solvant de la solution mère (ou du moins ne contenant pas l'espèce absorbante étudiée).

  4. Mesurer l'absorbance des solutions étalons au spectrophotomètre et tracer la courbe d'étalonnage $A = f(C)$.

  5. Mesurer l'absorbance $A_x$ de la solution mystère. Si $A_x$ sort de la gamme, diluer la solution.

  6. Déterminer $\mathbf{C_x}$ grâce à la courbe (détermination graphique) ou grâce à la loi de Beer-Lambert si elle est vérifiée avec $C_x = \dfrac{A_x}{k}$ (détermination par le calcul).

Animation interactive (1/2)

Établir la courbe d'étalonnage

Solution mère : colorant bleu de concentration $C_0 = \pu{0,120 mol*L-1}$. Chaque solution fille est préparée dans une fiole jaugée de $\pu{50,0 mL}$ : $C = C_0\times\dfrac{V_{\text{mère}}}{V_{\text{fiole}}}$.

Solution$V_{\text{mère}}$ prélevé (mL)$C$ (mol·L−1)$A$ mesurée

Animation interactive (2/2)

Exploiter la courbe : doser une solution mystère

coefficient directeur $k$ = $A_x$ = $C_x$ =

Conductimétrique

Définition

Une autre propriété physique utilisable est la conductivité $\sigma$ de la solution.

La présence d'ions dans une solution lui confère des propriétés de conduction électrique que mesure la conductivité (mieux la solution conduit et plus sa conductivité est grande).

La conductivité $\sigma_i$ de chaque ion i en solution contribue à la conductivité totale $\sigma$ :

$\sigma=\displaystyle\sum_i \sigma_i$

Loi de Kohlrausch

Pour une concentration suffisamment faible, la conductivité d'un ion est proportionnelle à sa concentration.

Formule

$$\sigma_i = \lambda_i\times C_i$$

$\sigma_i$ : conductivité de l'ion i en $\pu{S*m-1}$ (siemens par mètre)$C_i$ : concentration de l'ion i en ⚠️ $\pu{mol*m-3}$ ⚠️$\lambda_i$ : conductivité molaire ionique de l'ion i en $\pu{S*m^2*mol-1}$

Attention

Ici, $\lambda_i$ ne désigne pas une longueur d'onde, mais la conductivité molaire ionique.

Les concentrations doivent être exprimées en $\pu{mol*m-3}$ : $\pu{1 mol*L-1} = \pu{1000 mol*m-3}$, et donc $\pu{1 mmol*L-1} = \pu{1 mol*m-3}$.

La formule de la conductivité de la solution devient alors :

Formule

$$\sigma = \sum_i\lambda_i\times C_i$$

Pour obtenir la conductivité d'une solution, on utilise un conductimètre qui mesure sa conductance G, à l'aide d'une cellule plongée dans la solution.

solutionSℓΩ+−+−−+

La cellule est formée de deux plaques de surface $S$, distantes de $\ell$. L'appareil mesure la résistance $R$ de la portion de solution comprise entre les plaques, dans laquelle les ions se déplacent.

Définition

La conductance est l'inverse de la résistance électrique : $G=\dfrac{1}{R}$.

Elle se mesure en siemens : $\mathrm{S}=\Omega^{-1}$.

On passe de la conductance à la conductivité à partir de la géométrie des électrodes :

Formule

$$\sigma=G\times k =G\times\frac{\ell}{S}$$

$\sigma$ : conductivité (en $\pu{S*m-1}$)$G$ : conductance (en $\pu{S}$)$k$ : « constante de cellule » (en $\pu{m-1}$)$S$ : surface d'une plaque (en $\pu{m2}$)$\ell$ : distance entre les plaques (en $\pu{m}$)

Attention

Un conductimètre peut mesurer directement la conductivité mais il faut pour cela l'étalonner (la constante de cellule dépend de la température et évolue en fonction de la détérioration des plaques).

Condition pour réaliser un dosage par étalonnage

Il faut qu'un seul soluté ionique soit dissous dans la solution à doser (apportant un seul cation et un seul anion).

C'est ce qui permet d'avoir une conductivité proportionnelle à la concentration apportée : les concentrations de tous les ions présents sont alors proportionnelles à cette seule concentration, comme le montre l'exemple ci-dessous.

Exemple

Exemple d'une solution de chlorure de fer III $\ce{(Fe^3+ + 3Cl^-)}$. La concentration apportée en $\ce{FeCl3 (s)}$ vaut $C$.

Les concentrations des ions en solution sont alors : $\ce{[Fe^3+]}=$ $C$ et $\ce{[Cl^-]}=$ $3\times C$.

Et d'après la loi de Kohlrausch :

$\begin{aligned}\sigma&=\lambda_{\mathrm{Fe^{3+}}}\left[\mathrm{Fe^{3+}}\right]+\lambda_{\mathrm{Cl^-}}\left[\mathrm{Cl^-}\right]\\ &=\left(\lambda_{\mathrm{Fe^{3+}}}+3\lambda_{\mathrm{Cl^-}}\right)\times C\end{aligned}$

Si la loi s'applique, on doit obtenir une conductivité proportionnelle à la concentration apportée.

Animation interactive

Calculer une conductivité avec la loi de Kohlrausch

Soluté dissous :
$\sigma$ = soit (unité affichée par beaucoup de conductimètres)

Conductivités molaires ioniques à 25 °C. Faites varier $C$ : toutes les contributions, et donc $\sigma$, sont proportionnelles à $C$.

Le protocole du dosage est toujours le même

  1. on réalise une gamme étalon en diluant une solution contenant le composé ionique présent dans la solution à doser ;

  2. on mesure les conductivités des solutions étalons et on trace la courbe d'étalonnage ;

  3. on mesure la conductivité de la solution à doser et on détermine sa concentration grâce à la courbe.

Loi des gaz parfaits

Loi de Mariotte

Le produit de la pression d'un gaz par son volume à température fixée est une constante.

$PV = C(T)$

On va maintenant généraliser cette loi en explicitant cette constante dépendant de la température.

Définition

Un gaz est dit parfait si la taille des entités est négligeable devant la distance qui les sépare et si les interactions entre elles sont négligeables.

Loi des gaz parfaits

$$PV = nRT$$

$P$ : pression (en $\pu{Pa}$)$V$ : volume (en $\pu{m3}$)$n$ : quantité de matière (en $\pu{mol}$)$T$ : température (en $\pu{K}$)$R= 8{,}314$ $\pu{Pa*m3*K-1*mol-1}$ : constante des gaz parfaits

Remarque

La pression est aussi une énergie par unité de volume : $\Rightarrow \pu{Pa} =$ $\pu{J*m-3}$.

Et donc $R$ s'exprime en $\pu{J*K-1*mol-1}$.

Animation interactive

Un gaz parfait dans une enceinte

$P$ = $PV$ = $nRT$ =

Plus les particules sont nombreuses, rapides (température élevée) ou à l'étroit (petit volume), plus elles frappent souvent les parois : la pression augmente. À $n$ et $T$ fixés, réduisez le volume de moitié : la pression double (loi de Mariotte).

Pour aller plus loinUne simulation plus complète

La simulation « Gaz : introduction » de PhET permet de jouer sur les mêmes grandeurs, de chauffer l'enceinte ou de déplacer sa paroi.

La loi des gaz parfaits permet donc de déterminer la quantité de matière d'un gaz si on connaît sa pression, son volume et sa température :

Formule

$$n=\frac{PV}{RT}$$

Exemple

Quelle quantité de matière d'air contient un ballon de $\pu{5,0 L}$ à $20\,^\circ\mathrm{C}$ sous une pression de $\pu{1,0E5 Pa}$ ?

RéponseVoir la résolution

On convertit dans les unités de la loi : $V = \pu{5,0E-3 m3}$ et $T = 20 + 273{,}15 = \pu{293 K}$.

$n = \dfrac{PV}{RT} = \dfrac{1{,}0\times10^{5}\times 5{,}0\times10^{-3}}{8{,}314\times 293} = \pu{0,21 mol}$

À retenir

À température et pression fixées, une même quantité de gaz parfait occupe le même volume quel que soit le gaz.

Définition

Le volume molaire $V_m$ d'un gaz parfait est le volume occupé par une mole de ce gaz :

$V_m=\dfrac{V}{n}=$ $\dfrac{RT}{P}$

Valeurs à connaître

  • À 0 °C ($\pu{273,15 K}$) et pression atmosphérique ($\pu{1 atm}=\pu{1,013 bar}=\pu{1,013E5 Pa}$), $V_m=$ $\pu{22,4E-3 m^3*mol-1}=\pu{22,4 L*mol-1}$ ;
  • Et à 20 °C et sous $\pu{1 atm}$, $V_m=$ $\pu{24 L*mol-1}$.