Spectrophotométrie

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Un spectrophotomètre

La spectrophotométrie est une méthode analytique quantitative qui consiste à mesurer l'absorbance ou la densité optique d'une substance chimique donnée en solution. Plus cette espèce est concentrée plus elle absorbe la lumière dans les limites de proportionnalités énoncées par la loi de Beer-Lambert.

La densité optique des solutions est déterminée par un spectrophotomètre préalablement étalonné sur la longueur d'onde d'absorption de l'espèce chimique à étudier.

Sommaire

1 Principe
2 Domaine UV-visible de la spectrophotométrie
3 Spectrophotomètre
4 Limites
5 Applications
6 Voir aussi
7 Liens externes

[modifier] Principe

Pour plus de détails, voir l'article Loi de Beer-Lambert

Lorsqu’une lumière d’intensité $I_0 \;$ passe à travers une solution, une partie de celle ci est absorbée par le(s) soluté(s). L’intensité $I \;$ de la lumière transmise est donc inférieure à $I_0 \;$ . On définit l’absorbance de la solution comme :

$A = \log_{10}\left({\frac{I_0}{I}}\right)$

On parle aussi de transmittance définie par la relation :

$T = \frac{I}{I_0}$ c'est-à-dire que $A = -\log{T} \;$

L’absorbance est une valeur positive, sans unité. Elle est d’autant plus grande que l’intensité transmise est faible.

La relation de Beer-Lambert décrit que, à une longueur d’onde λ donnée, l’absorbance d’une solution est proportionnelle à la concentration des espèces de la solution, et à la longueur du trajet optique (distance sur laquelle la lumière traverse la solution).

Ainsi, pour une solution limpide contenant une seule espèce absorbante :

$A_\lambda = \varepsilon_\lambda \; l \; c$

$A_\lambda \;$ est l’absorbance ou la densité optique de la solution pour une longueur d'onde λ ;
$c \;$ (en mol.L^-1) est la concentration de l’espèce absorbante ;
$l \;$ (en cm) est la longueur du trajet optique ;
$\varepsilon_\lambda \;$ (en mol^-1.L.cm-1) est le coefficient d’extinction molaire de l’espèce absorbante en solution. Il rend compte de la capacité de cette espèce à absorber la lumière, à la longueur d’onde λ.

La loi de Beer-Lambert est additive (mais non la transmittance). Ainsi, pour une solution contenant plusieurs espèces absorbantes, l’absorbance de la solution est la somme de leurs absorbances. Pour n espèces absorbantes :

$A = \sum_{i=1}^n A_i(\varepsilon_{\lambda, i}, l=1cm, c_i) = \varepsilon_{\lambda,1} \; c_1 + \varepsilon_{\lambda,2} \; c_2 + ... + \varepsilon_{\lambda,n} \; c_n$

[modifier] Domaine UV-visible de la spectrophotométrie

Pour plus de détails, voir l'article Spectroscopie

Une soluté colorée ou chromophore absorbe la lumière visible (longueurs d'onde comprises entre 400 et 800nm) on parle de spectrophotocolorimétrie ou plus simplement de colorimétrie. Certaines solutions absorbent dans l'ultraviolet (longueurs d'onde inférieures à 380 nm), on parle alors de spectrophotométrie UV. Les infrarouges ne sont pas utilisés en spectrophotométrie car ils dépendent surtout de la température de la solution et non de sa concentration, il sont plutôt couverts par la spectroscopie en infrarouge. La spectrophotométrie est plus spécifique que la spectroscopie qui couvre d'autres longeurs d'ondes du spectre électromagnétique.

[modifier] Spectrophotomètre

Pour plus de détails, voir l'article Spectrophotomètre

Schéma de principe du spectrophotomètre

Un spectrophotomètre mesure l’absorbance d’une solution à une longueur d’onde donnée. Un dispositif monochromateur permet de générer, à partir d’une source de lumière visible ou ultraviolette, une lumière monochromatique, dont la longueur d’onde est choisie par l’utilisateur. La lumière monochromatique incidente d’intensité $I_0 \;$ traverse alors une cuve contenant la solution étudiée, et l’appareil mesure l’intensité $I \;$ de la lumière transmise. La valeur affichée par le spectrophotomètre est l’absorbance à la longueur d’onde étudiée. Le spectrophotomètre peut être utilisé pour mesurer de manière instantannée une absorbance à une longueur d’onde donnée, ou pour produire un spectre d’absorbance (spectrophotomètre à balayage). Dans ce dernier cas, le dispositif monochromateur décrit en un temps court l’ensemble des longueurs d’onde comprises entre deux valeurs choisies par l’opérateur.

[modifier] Limites

Plusieurs facteurs peuvent dégrader la loi de Lambert-Beer et limiter la validité de la spectrophotométrie :

Le domaine de mesure idéal est pour les valeurs de T situées entre 20 et 60%.
Plusieurs aberrations optiques liés à la diffusion, la réflexion et la diffraction de la lumière peuvent fausser la mesure.
Les phénomènes de fluorescence ainsi que d'autres particularités chimiques liées aux espèces absorbantes peuvent interférer.
Plus la densité du soluté est importante, plus le faiseau de lumière incident sera réfracté avec une valeur donnée. Cette tendance est normalement infime mais devient plus prononcée avec les hautes concentrations. Ainsi, la réfraction réduit l'intensité de la lumière transmise et l'instrument indique faussement une absorbance diminuée. Généralement, ce phénomène peut être évité en travaillant avec des concentrations inférieures à 0,01 mol.l^-1.

[modifier] Applications

Détermination d'une concentration inconnue

Connaissant le spectre d'absorption d'une espèce chimique, on peut mesurer, à l'une de ses longueurs d'onde $\lambda_{max} \;$ (là où l'absorption est maximale) les variations de l'intensité $I \;$ d'un faisceau lumineux traversant une même épaisseur $l \;$ de solutions de concentrations diverses.

Ceci permet d'établir expérimentalement la courbe $A = f (c) \;$ reliant l'absorbance et la concentration de la substance étudiée (avec $l = 1 cm \;$ ), en effectuant les mesures de $A \;$ pour diverses concentrations. Cette courbe est une courbe d'étalonnage.

La courbe expérimentale d'étalonnage permet ensuite de déterminer la concentration inconnue d'une solution de cette substance par simple mesure de son absorbance et report sur le graphe $A = f (c) \;$ .

image: exemple d'une courbe d'étalonnage (à ajouter).

La loi de Lambert-Beer a des limites. Elle n'est linéaire que dans un intervalle de concentrations réduit regroupant des valeurs inférieures à 10^-2mol.l^-1.

Suivi de la cinétique d'une réaction chimique

Lorsqu'au cours d'une réaction chimique dont on veut étudier la cinétique de l'une des espèces chimique en solution, on peut par spectrophotométrie d'absorption suivre la concentration de cette espèce (généralement colorée). Si cette espèce est un réactif, l'absorbance de la solution diminue au cours du temps. Si au contraire, c'est un produit de la réaction, l'absorbance de la solution augmente au cours du temps.

Exemples

On peut suivre la cinétique de la réaction d'oxydo-réduction en milieu acide, entre l'acide oxalique C₂H₂O₄ par l'ion permanganate MnO₄^- (couleur violette) par la mesure de la diminution d'absorbance de ce dernier pour la longueur d'onde λ = 540nm.

$2MnO_4^- (violet) + 6H^+ + 5C_2O_4H_2 \rightarrow 2Mn^{2+} (incolore) + 8H_2O + 10CO_2$