Classe: TS Nom-Prénom:
TP
Ch im ie - C0 2
Suivi temporel d'une réaction chimique par spectrophotométrie
1- Objectifs
Les objectifs de ce travail sont de:
- Connaître le principe de fonctionnement d'un spectrophotomètre et la loi de Beer-Lambert.
- Déterminer l'avancement d'une réaction chimique et suivre son évolution puis en déduire le temps de demi réaction t1/2.
2- Le spectrophotomètre
Le spectrophotomètre est un appareil qui permet de mesurer l'absorbance ou la transmittance d'une solution pour une longueur d'onde donnée. On utilise le fait que toute solution colorée absorbe la lumière visible (400nm < 0 < 800nm). Un système dispersif (prisme ou réseau) permet de sélectionner une radiation lumineuse de longueur d’onde donnée. Cette radiation est dirigée vers l’échantillon à analyser.
Lorsqu’un faisceau de lumière monochromatique traverse un milieu absorbant, l’intensité lumineuse I du faisceau transmis est inférieure à l’intensité lumineuse I0du faisceau incident.
D'après la loi de Bouguer-Lambert, lorsqu'une lumière monochromatique d'intensité I0 traverse un milieu homogène, l'intensité de la lumière émergente I décroît exponentiellement lorsque l'épaisseur l du milieu absorbant augmente suivant la loi:
I = I e
0 -a.l, où a est une constante appelée coefficient d'absorption, caractéristique du milieu et de la longueur d'ondeconsidérés.En analyse quantitative où on étudie principalement des solutions, on utilise la loi de Beer, qui fait intervenir les concentrations. L'intensité de la lumière émergente I décroît exponentiellement lorsque la concentration c de la solution augmente suivant la loi:
I = I e
0 -ε.l.c, oùest un coefficient d'absorption caractéristique de la substance et dépendant de la longueur d'onde utilisée, appelé encore coefficient d'extinction, et l est l'épaisseur de la cuve.3- Loi de Beer-Lambert. Transmittance et absorbance
En spectrophotométrie on utilise laloi de Beer-Lambert.
La relation entre l'intensitéIde la lumière émergente et la concentrationcde la solution s'écrit:
I
0Log = ε.c.l I
Pour que la loi de Beer - Lambert soit vérifiée, il faut utiliser une lumière monochromatique
On définit la transmittanceTcomme étant le rapport de l'intensité transmiseIà l'intensité incidenteI0:
0
T = I I
On définit l'absorbanceAcomme étant l'opposé du logarithme décimal de la transmittanceT:
0
A = -Log T = -Log I = ε.l.c I
La transmittanceTs’exprime en pourcentage.
Une transmittance T de 100% (T=1) correspond à une absorbance nulle (A=0).
4- Etude de solutions de diiode
Dans un premier temps, on vérifiera la loi de Beer-Lambert pour une espèce chimique absorbante, le diiode, dont la couleur est orangé quand il est éclairé par de la lumière blanche.
4-1- Détermination de la bande d'absorption maximum
On utilise pour cela un spectrophotomètre qui va balayer l'ensemble des longueurs d'onde de la lumière visible de 400nm à 800nm environ et réaliser un spectre d'absorption.
Ce travail sera effectué par le professeur, à l'aide d'un dispositif d'acquisition informatisé, sur une solution de diiode à 1,0.10-3mol.L-1.
Décrire la démarche à suivre pour déterminer la bande d'absorption.
Quelle est la longueur d’onde pour laquelle l’absorption est maximum?
Quelle est la couleur correspondante?
Le choix du filtre est-il justifié?
4-2- Etude des solutions étalons
On dispose de cinq solutions S1, S2, S3, S4 et S5 de diode, dans l’iodure de potassium, de concentrations c1=1,0.10-4mol.L-1,c2=5.10-4mol.L-1,c3=1,0.10-3mol.L-1,c4=2,0.10-3mol.L-1etc5=2,5.10-3mol.L-1.
Le colorimètre transforme une mesure d'absorbance en une tension qui sera lue directement sur un voltmètre (calibre 2V). La notice du constructeur indique que l'absorbance maximum mesurable est égale à 2, la tension lue étant proportionnelle à l'absorbance mesurée (U=1V pour A=1).
Placer le filtre monochromatique adapté (filtre à 440nm) dans le logement prévu à cet effet.
Verser la solution d’iodure de potassium (le solvant) à l’aide d’une pipette souple dans une cuve jusqu'à 5mm du haut de celle-ci.
Insérer la cuve contenant la solution d'iodure de potassium (le solvant) en la tenant par les faces rainurées, puis placer le cache.
Sélectionner "Transmittance" par le bouton-glissière situé en face avant et régler la tension de sortie à 1V à l'aide des deux potentiomètres. Le réglage grossier se fait avec le potentiomètre du haut (le potentiomètre du réglage fin étant placé à mi-course) puis réglage fin avec le potentiomètre du bas.
Sélectionner "Absorbance" par le bouton-glissière situé en face avant, l’écran doit afficher 0.
Par la suite, attention à ne plus toucher aux réglages du colorimètre.
Sortir la cuve, la vider, l’essuyer soigneusement (intérieur et extérieur) et y verser la solution S1 à l’aide d’une autre pipette souple. Insérer la cuve dans le colorimètre et placer le cache.
Relever la valeur de l'absorbance A mesuré par le voltmètre, puis faire les mesures de l'absorbance A pour les autres solutions S2, S3, S4et S5.
Compléter le tableau suivant.
Solution Blanc S1 S2 S3 S4 S5
Concentration molaire c 0
Absorbance A 0
Tracer le graphique représentant l'absorbance A en fonction de la concentration c en précisant les échelles utilisées.
Quelle est l'allure de la courbe obtenue?
La loi de Beer-Lambert est-elle vérifiée?
Déterminer puis calculer le coefficient de proportionnalité k tel que A=k.c et donner son unité.
Modéliser la courbe obtenue (équation de la courbe).
5- Etude de l’évolution temporelle d’une transformation
Le but de cette expérience est de suivre la transformation chimique résultant de la réaction entre les ions iodure I- et les ions peroxodisulfate S2O82-. Les ions iodure I-([I-]=1,0.10-1mol.L-1) réagissent lentement avec les ions peroxodisulfate S2O82-([S2O82-]=2,5.10-1mol.L-1).
Préparer une cuve propre et sèche.
Préparer dans un bécher 20,0mL, de solution de peroxodisulfate de potassium à 0,25mol.L-1. Dans le même bécher, verser 1,0mL, de solution d'iodure de potassium à 0,1mol.L-1.
Agiter rapidement et prélever à l'aide d'une pipette souple environ 2,5mL de solution du milieu réactionnel, et les verser dans la cuve. Insérer rapidement la cuve dans le colorimètre et placer le cache. Puis lancer l'acquisition.
Relever les valeurs de l'absorbance A toutes les 1min pendant 20min.
Temps (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Absorbance C (mmol/L) n (mol)
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Qu'observe t-on au cours de cette réaction chimique?
Ecrire les demi équations électroniques correspondantes à cette réaction sachant que les couples mis en jeu sont S2O82-/SO42-et I2/I-.
Quels sont les espèces qui s'oxydent et celle qui se réduisent?
Ecrire l’équation bilan de la réaction chimique.
En définissant l'avancement de la réaction comme x=n(I2) faire le tableau d'avancement.
Réaction + → +
Etat initial (mol) Etat instant t (mol)
Etat final (mol)
Quel est le réactif limitant? Calculer la valeur de l'avancement maximum.
En utilisant la loi de Beer-Lambert, trouver une relation entre [I2] et A; puis entre x=n(I2) (avancement de la réaction) et A.
Compléter le tableau précédent.
Tracer le graphique représentant l'évolution temporel de la quantité de diiode formé.
Tracer les tangentes à la courbe pour t=0s, t=4min, t=8min, t=12min et t=16min.
Calculer le coefficient directeur de chaque tangente et l'exprimer en mol.L-1.min-1et mol.L-1.s-1.
Donner la définition du temps de demi réaction et le déterminer.
A quelle date peut-on considérer que la transformation est terminée?
Courbe 1 - Absorbance en fonction de la concentration
Courbe 2 - Evolution temporel de la quantité de diiode formé
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 C (mmol/L)
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
Absorbance
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
n (mol)
