SPECTRE D'ABSORPTION d'une solution colorée: tracé et étude
I Objectifs
II Montage et réglages du logiciel d'acquisition
III Tracé et étude du spectre d'absorption
|
 |
II. Montage et réglages d'acquisition
A. Principe de la manipulation et de la vérification
On dilue pour cela une solution mère colorée, et on mesure le flux lumineux F transmis à travers, à une certaine longueur d'onde l . La comparaison avec la mesure obtenue (Fo) pour le solvant seul permet d'en déduire l'absorbance pour la valeur choisie de longueur d'onde. Ces mesures peuvent être effectuées sommairement à partir du colorimètre Photocolor de Micrelec (par exemple pour situer approximativement un maximum d'absorbance), ou plus précisément avec n'importe quel spectrophotomètre(1). Les variations de l'absorbance de la substance colorée en fonction de sa longueur d'onde constituent son spectre d'absorption.
Ce type d'étude est préliminaire à celle d'un dosage colorimétrique ou d'un suivi de cinétique d'une réaction lente: ces études demandent d'avoir déterminé préalablement la longueur d'onde d'absorbance maximale ainsi que le coefficient k de la loi de Beer-Lambert (c=k'*A ou A=k*c), et donc d'en déduire des vitesses de réaction (voir les 2 TP correspondants par ailleurs).
B. Principe du colorimètre Photocolor
 |
Le bouton 'sélecteur' permet de choisir parmi 6 D.E.L. la longueur d'onde l utilisée. Le faisceau lumineux émis par la diode choisie traverse la partie inférieure de la cuve contenant la solution à étudier: une photo résistance, placée derrière la cuve, permet de mesurer le flux lumineux transmis par le milieu absorbant; un conditionneur électronique relié à une entrée analogique d' ORPHY lui fournit une tension U proportionnelle au flux lumineux F reçu.(VOIR SCHÉMA CI-DESSOUS) |
Sans connaître le coefficient d'étalonnage 'a' de cette chaîne, on peut néanmoins accéder à l'absorbance du milieu étudié par comparaison du flux F o transmis par le solvant seul(2) avec le flux F transmis par la solution colorée:
| solvant seul | ® |
flux Fo | ® |
tension Uo=a*Fo |
| solution | ® |
flux F | ® |
tension U = a*F |
L'absorbance de la solution vaut dans ces conditions:
A = log(Fo/F) = log(Uo/U)
qui ne dépend plus d
u coefficient a; elle peut varier de 0 (concentration nulle, c'est-à-dire solvant seul) à l'infini (opacité maxima).Tous les colorimètres fonctionnent suivant le même principe.
C. Cas d'un spectrophotomètre
L'intérêt d'un spectrophotomètre est d'offrir un nombre beaucoup plus grand de longueurs d'onde (théoriquement infini) dans une certaine plage (en général le domaine visible au moins): les longueurs utilisées pour les mesures sont alors sélectionnées manuellement ou balayées automatiquement suivant les appareils.
1. cas de la sélection manuelle
Ici, la longueur d'onde de la source lumineuse (lampe halogène) est réglable de façon continue sur une échelle graduée (la sélection de la longueur d'onde est réalisée en fait par un monochromateur à réseau). La mesure de flux lumineux est effectuée par un détecteur au silicium. Après réalisation et validation du "blanc", l'appareil détermine lui-même directement la valeur de A pour chaque mesure ultérieure et l'affiche sur son écran; une sortie analogique, quand elle existe dans cet appareil, permet d'envoyer directement sur l'interface une tension continue analogique à A.
2. cas du balayage automatique
Le spectrophotomètre de Micrelec par exemple, piloté par le logiciel Ccdorphy réalise automatiquement le balayage en longueurs d'onde. Une barrette de capteurs C.C.D. reçoit le spectre après dispersion. Le logiciel envoie les données à Orphy, calcule aussi l'absorbance, et permet de sauver au format Regressi les données A(l) ainsi obtenues.
D. Montage et réglages préliminaires
|
 |
prise B: |
prise C: |
EA4/EA5 (100 mV) |
EA6 (1 V) |
 | A priori, le calibre 1 V devrait être le mieux adapté; mais les valeurs peuvent varier sensiblement d'un appareil à l'autre: c'est le "blanc" qui confirmera ou non le choix (donne la valeur la plus élevée pour la tension correspondante). |
| une autre solution consiste à alimenter de façon autonome le module
Photocolor par une pile (fournie avec), et à relier ses deux bornes de sortie par des
cordons à la platine de raccordement d'ORPHY: (-) à la référence, et (+) à
l'entrée analogique choisie (voir paragraphe précédent pour ce choix). |
Abscisse: |
Voies actives: |
Enregistrement: |
Déclenchement (synchro): |
||||
Clavier |
EAi: |
Variable: |
Signe: |
Cal: |
Unité: |
Nombre points: |
Manuel |
EA x |
U ou A(**) |
+ |
1 ou 0.1 |
V |
Fonction de l'appareil utilisé |
(Clavier ou clic sur bouton) |
|
(*)
adapter si nécessaire les valeurs des bornes proposées par le logiciel à celles choisies pour l'étude du spectre.(**) acquisition automatique de A seulement si le spectrophotomètre dispose d'une sortie analogique, qui a été reliée à une entrée analogique d'Orphy. Il faut de plus avoir étalonné préalablement cette sortie analogique en déterminant le rapport entre la tension (mesurée sur la sortie) et l'absorbance lue sur l'appareil. Ce coefficient est ensuite rentré par étalonnage manuel ou interactif dans le logiciel d'acquisition(4).
|
avec ORPHY PORTABLE 2, brancher: une capsule ±2 V (U). |
Charger l'acquisition pré réglée:
| * avec ORPHY-GTS2 | * avec ORPHY-GTI2 |
| * avec Orphy USB ou PORTABLE 2* avec Orphy USB ou PORTABLE 2 | |
1. avec un spectrophotomètre traditionnel
| Choisir sur l'échelle une valeur de longueur d'onde (mettre sous tension l'appareil au moins 5 minutes avant les prises de mesures pour avoir une bonne stabilisation de ses circuits). |
| "blanc" et optimisation du calibre utilisé: introduire dans l'orifice de
l'appareil une cuve remplie au moins à moitié d'eau pure, et fermer le volet
d'obturation pour éviter l'entrée de lumière parasite: suivre alors les indications de
la notice du constructeur pour valider le blanc et passer aux mesures d'absorbance
proprement dites. Dans le cas du spectrophotomètre Micrelec, suivre les indications portées à l'écran par le logiciel de l'appareil. |
2. avec le colorimètre
| choisir sur le sélecteur une valeur de longueur d'onde (=une D.E.L.). N.B.: dans tous les cas, sélectionner la DEL et alimenter en tension le colorimètre au moins 5 minutes avant les prises de mesures pour avoir une bonne stabilisation des circuits). |
| "blanc" et optimisation du calibre utilisé: introduire dans l'orifice du colorimètre une cuve à moitié remplie d'eau pure et fermer le volet d'obturation pour éviter l'entrée de lumière parasite: attendre quelques instants et noter la valeur de la tension de référence Uo ainsi obtenue (qui correspondra donc à une absorbance nulle). Selon les appareils, et la DEL choisie, Uo peut atteindre 100 à 150 mV. Suivant que cette valeur Uo est supérieure ou non au calibre 100 mV de l'entrée EAx choisie, il peut y avoir lieu de changer de changer de calibre, mais dans tous les cas, ne laisser qu'une seule entrée analogique en service pour la suite des mesures. |
E. Protocole d'acquisition
| "blanc": ne rien saisir pour la valeur de 'l ' dans la zone correspondante de l'écran d'acquisition, mais lire la valeur de la mesure courante affichée pour Uo |
| placer la solution colorée dans l'appareil (cuve à moitié remplie suffit), fermer le volet d'occultation, saisir la valeur de 'l ' (et aussi de A en cas d'acquisition manuelle), attendre quelques instants la stabilisation de la mesure courante, puis valider le point en cliquant-G sur l'icône 'Enregistrer' ou avec la touche 'Entrée'. |
| procéder de même pour chaque longueur d'onde. |
| observer le tracé progressif à l'écran des variations du pourcentage du flux lumineux F absorbé par le milieu de réaction. |
| terminer l'acquisition en cliquant-G sur l'icône 'Fin'. |
F. Variables transférées
1. dans le cas d'un spectrophotomètre
Ä l , et A en cas d'acquisition avec un spectrophotomètre
Dans la fenêtre 'Graphiques' (menu Fenêtre/graphe Variables), cliquer-D pour choisir 'Coordonnées' dans le menu contextuel, ou cliquer-G sur l'icône correspondante
pour vérifier qu'on a bien:
l en abscisses A en ordonnées (à gauche)
On a ainsi la représentation graphique de A = f(l ) qu'on peut déjà visualiser.
2. dans le cas d'un colorimètre
Ä l , et U en cas d'acquisition avec le colorimètre Micrelec
Dans la fenêtre 'Graphiques' (menu Fenêtre/graphe Variables), cliquer-D pour choisir 'Coordonnées' dans le menu contextuel, ou cliquer-G sur l'icône correspondante
l en abscisses U en ordonnées (à gauche) On a ainsi la représentation graphique de U = f(l ) qu'on peut déjà visualiser; en coordonnées cartésiennes, la forme de la courbe n'est pas facilement identifiable, et on peut passer en coordonnées logarithmiques pour U: clic-G sur l'icône
y = log(U) = log(Uo)-A
Ä NB: Penser à indiquer dans la ligne de commentaire sous la barre de menus principale en haut à droite la nature de la solution utilisée avant de sauver ce fichier de données Regressi.
III. Tracé et étude du spectre d'absorption
A. Représentation de A = f(l )
| Si l'absorbance n'a pas été mesurée directement lors de l'acquisition (cas d'un colorimètre), elle se déduit par sa définition. Revenir dans la fenêtre 'Grandeurs', onglet 'Expressions', et saisir directement(5) dans une nouvelle ligne (touche 'Entrée' pour le saut de ligne, comme dans un traitement de texte) de ce 'mémo' : |
A = log(Uo/U)
pour créer la nouvelle grandeur A, et valider par la touche 'F2',
(ou 2 fois sur la touche 'Entrée', ou en cliquant-G sur l'icône
clignotante 
); le résultat
apparaît alors dans l'onglet 'Variables'.
| Dans la fenêtre 'Graphiques' (menu Fenêtre/graphe Variables), clic-D pour choisir
'Coordonnées' dans le menu contextuel, ou clic-G sur l'icône correspondante , pour remplacer l'ordonnée utilisée
précédemment par A, en ordonnée à gauche. |
| Observer la répartition des points, et commenter: on observe toujours très nettement un ou plusieurs maxima sur la courbe, représentant donc des maxima d'absorption pour certaines longueurs d'onde. |
B. Pics ou maxima d'absorbance et couleur naturelle
La longueur d'onde la plus absorbée est celle qui devra être utilisée pour l'étude la loi de beer Lambert et les suivis de cinétique chimique: on la détermine sur les graphiques obtenus précédemment.
| le 'curseur texte' permet d'ajouter un commentaire commun au graphique: cliquer-G sur ce nom dans la liste déroulante des curseurs, cliquer-G sur le graphique, positionner la lettre "A" apparue en glissant puis relâchant le pointeur à l'emplacement choisi pour le commentaire, saisir dans l'onglet 'texte' de la boîte qui s'ouvre automatiquement le commentaire; dans l'onglet 'options', choisir entre les différentes présentations possibles avant de valider. Ce commentaire peut à tout moment être déplacé par cliquer-glisser du pointeur dessus, ou édité par double clic-G |
| le 'curseur texte' permet aussi d'annoter certaines parties du graphique: choisir à nouveau ce curseur, cliquer-G sur le graphique à l'emplacement du point voulu (par exemple l'abscisse du maximum ici), déplacer la lettre "A" apparue en glissant puis relâchant le pointeur à l'emplacement choisi pour le commentaire, saisir dans l'onglet 'texte' l'information voulue (on peut utiliser des informations pré définies comme l'abscisse courante, etc); dans l'onglet 'options', choisir une ligne de rappel avec flèche avant de valider. Ce commentaire ainsi que la pointe de la flèche peuvent à tout moment être déplacés par cliquer-glisser du pointeur dessus. |
| pour supprimer la partie gauche de l'axe horizontal inutilisée par le spectre visible,
il faut remplacer le calcul automatique d'échelle par un 'forçage' manuel: cliquer sur
l'icône  et imposer un minimum plus
élevé pour l . |
Ici, on peut comprendre la couleur usuelle de l’ion permanganate ; lorsqu’il est éclairé en lumière blanche, il absorbera surtout le jaune, et restituera donc sa couleur complémentaire : le violet.
C. Mise en évidence d'un corps pur par son spectre
1. Comparaison de deux colorants alimentaires purs
On commence par tracer séparément le spectre :
* du colorant jaune E 102
* d’un colorant vert
Réunir éventuellement les pages dans un même fichier de Regressi (commande " Fichier/Fusionner "), et superposer les deux graphiques (cocher la superposition après clic-G sur les icônes ,ou clic-D suivi du choix ‘Coordonnées’ ou ‘Options’).
La comparaison des deux spectres met en évidence dans le colorant vert la présence d’un colorant jaune qui est probablement le E 102.
Le ‘Curseur ligne’ permet de souligner la similitude des absorbances dans le bleu violet par le tracé d’une petite ligne de rappel verticale : choisir le curseur et laisser la touche majuscule enfoncée pendant le ‘cliquer-tirer’ : le segment apparu peut être édité (couleur, pointillés, etc.) par choix dans la boîte de dialogue qui s’ouvre lors d’un double-clic sur le segment. L’objet peut aussi être déplacé par cliquer-glisser.
2. Investigation dans un sirop de grenadine
Dans une démarche similaire, on peut vérifier la présence d’un colorant alimentaire dans un sirop commercial par comparaison du pic d'absorbance de l’authentique (= le colorant seul) avec celui du sirop :
tracer le spectre pour un sirop contenant des colorants inconnus ; il est conseillé pour cela d’extraire préalablement du sirop le(s) colorant(s) inconnu(s) (TP d’extraction à l’aide de la laine en Spécialité de Terminale S) tracer les spectres des authentiques (colorants purs susceptibles d'être présents dans le sirop) réunir les fichiers correspondants et superposer les spectres comme au paragraphe précédent.
D. Conclusion et applications
1. Vérification ou applications de la loi de Beer lambert
Pour étudier la relation A = f(c) pour des concentrations différentes d'une même substance, il faut utiliser la longueur d'onde la plus absorbée. Le spectre d'absorption de la substance faisant l'objet de la loi doit donc être étudié préalablement. On peut par exemple réaliser un dosage spectrophotométrique du fer total contenu dans un échantillon de vin en mesurant son absorbance après complexion des ions fer II et III : voir à ce sujet le TP correspondant sur " La vérification de la loi de Beer Lambert ".
Le curseur 'données' est toujours asservi aux points expérimentaux: il faut d'abord le paramétrer; en cochant par exemple 'abscisse' et 'réticule' et en cliquant avec le pointeur sur un maximum, il affichera alors en bas de la fenêtre 'Graphique' l'abscisse du pic, c'est à dire la longueur d'onde la mieux absorbée.
2. Suivi de cinétique chimique
Le suivi photométrique de cinétique dans une réaction chimique lente demande de connaître préalablement:
la longueur d'onde la plus absorbée pour faire les mesures à cette longueur d'onde la valeur du coefficient k de la loi de Beer Lambert, pour un des réactants ou un des produits de la réaction (pour en déduire sa concentration): voir à ce sujet le TP sur le "Suivi de cinétique (oxydation de l'ion iodure par l'eau oxygénée)".
retour sommaire chapitre en cours
(2) cette mesure à c = 0 est appelée "blanc"
(3) ce choix est indifférent avec Orphy-GTI
/GTI2/GTS2 puisque le calibre est choisi par voie logicielle quelque soit l'entrée choisie(4) une solution plus 'élégante' consiste à déclarer un nouveau capteur 'spectrophotomètre' dans le logiciel d'acquisition, ce qui permet d'en disposer automatiquement dans toute nouvelle session.
(5) en remplaçant évidemment Uo par le résultat numérique de la mesure de "blanc".