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Chapitre 2 — Des méthodes physiques d'analyse d'un système chimique

Spectroscopies, absorbance, conductimétrie et dosage par étalonnage.

Progression du chapitre

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Introduction

Ce que tu vas apprendre. Tu vas identifier des espèces chimiques grâce aux spectroscopies et déterminer une concentration par absorbance ou conductimétrie.

Pourquoi c'est important. Savoir ce que contient un échantillon et en quelle quantité est la base de tout contrôle qualité.

Où on l'utilise. Analyses médicales, contrôle de l'eau potable, industrie agroalimentaire, police scientifique.

À la fin du chapitre, tu sauras :
  • Exploiter un spectre UV-visible et un spectre infrarouge.
  • Appliquer la loi de Beer-Lambert.
  • Appliquer la loi de Kohlrausch.
  • Réaliser un dosage par étalonnage.
Spectroscopie UV-visible→Spectroscopie IR→Absorbance→Conductivité→Dosage par étalonnage
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Chapitre complet

1. Spectroscopie UV-visible

Une espèce colorée absorbe une partie de la lumière visible. Sa couleur perçue est la couleur complémentaire de celle qu'elle absorbe le plus (au maximum λmax du spectre).

Cercle chromatique

Une solution qui absorbe dans le bleu (≈ 450 nm) paraît orangée ; une solution qui absorbe dans le rouge paraît bleu-vert.

2. Spectroscopie infrarouge

Les liaisons d'une molécule vibrent et absorbent certaines radiations IR. Chaque bande, repérée par son nombre d'onde σ (en cm⁻¹), signale une liaison donc un groupe caractéristique.

  • O–H alcool : bande large vers 3 200–3 400 cm⁻¹
  • O–H acide carboxylique : très large, 2 500–3 200 cm⁻¹
  • C=O : bande fine et intense vers 1 650–1 750 cm⁻¹
  • N–H : 3 100–3 500 cm⁻¹

3. Loi de Beer-Lambert

Droite d'étalonnage A = k·c
cAc inconnueA mesuréeA = k · c (droite d'étalonnage)

On trace A = f(c) pour des solutions étalons : la droite passe par l'origine. La mesure de A pour la solution inconnue donne sa concentration par lecture graphique.

Pour une solution diluée, l'absorbance mesurée à une longueur d'onde donnée est proportionnelle à la concentration de l'espèce qui absorbe.

A = ε · ℓ · c → A = k · c (droite passant par l'origine)

4. Conductimétrie et loi de Kohlrausch

Une solution ionique conduit le courant. Sa conductivité σ dépend des ions présents et de leurs concentrations : σ = Σ λᵢ·[Xᵢ].

Dosage par étalonnage

On mesure A (ou σ) pour des solutions étalons de concentration connue, on trace la droite d'étalonnage, puis on lit la concentration de la solution inconnue.

Avant toute mesure UV-visible, on règle le zéro avec un blanc contenant le solvant et les autres constituants, mais pas l'espèce à doser. On choisit λmax pour maximiser la sensibilité : à concentration égale, l'absorbance y est plus élevée.

Exemple · Exemple pas à pas : des étalons à 0,10 ; 0,20 et 0,30 mmol·L⁻¹ donnent A = 0,15 ; 0,30 et 0,45. La pente vaut k = 0,15 / 0,10 = 1,5 L·mmol⁻¹. Pour A = 0,36, c = 0,36 / 1,5 = 0,24 mmol·L⁻¹. Convertir si demandé : 2,4 × 10⁻⁴ mol·L⁻¹.

Blanc → étalons → droite A = k·c → inconnue

A sans unité ; k en L·mol⁻¹ si c en mol·L⁻¹

En IR, on lit souvent la transmittance : une bande d'absorption apparaît alors comme un creux. Identifier une fonction par plusieurs bandes concordantes, jamais par un seul pic isolé. La conductimétrie, elle, exige des concentrations en mol·m⁻³ si λᵢ est en S·m²·mol⁻¹.

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Définitions importantes

Absorbance A
Grandeur sans unité mesurant la lumière absorbée par une solution.
Nombre d'onde σ
Inverse de la longueur d'onde, en cm⁻¹, utilisé en spectroscopie IR.
Conductivité σ
Aptitude d'une solution à conduire le courant, en S·m⁻¹.
Solution étalon
Solution de concentration connue utilisée pour tracer une courbe d'étalonnage.
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Formules à connaître

Loi de Beer-Lambert

A = ε · ℓ · c

Aabsorbancesans unité
εcoefficient d'absorption molaireL·mol⁻¹·cm⁻¹
ℓlongueur de cuvecm
cconcentrationmol·L⁻¹

Quand l'utiliser : Solutions diluées, à λ fixée.

Conditions : Valable si c reste faible (A < 2 environ).

Transformations utiles :
c = Aε·ℓ

Exemple : A = 0,60, ε·ℓ = 1 200 L·mol⁻¹ ⇒ c = 5,0 × 10⁻⁴ mol·L⁻¹

Loi de Kohlrausch

σ = Σ λᵢ · [Xᵢ]

σconductivitéS·m⁻¹
λᵢconductivité molaire ioniqueS·m²·mol⁻¹
[Xᵢ]concentration de l'ionmol·m⁻³

Quand l'utiliser : Solutions ioniques diluées.

Conditions : Attention : concentrations en mol·m⁻³ (1 mol·L⁻¹ = 10³ mol·m⁻³).

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Méthodes à connaître

Réaliser un dosage par étalonnage

  1. Préparer une gamme de solutions étalons par dilution.
  2. Mesurer A (ou σ) pour chaque étalon.
  3. Tracer A = f(c) et vérifier la droite passant par l'origine.
  4. Mesurer A pour la solution inconnue.
  5. Lire c graphiquement ou calculer c = A / k.
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Exemple guidé

Une droite d'étalonnage d'une solution de permanganate donne A = 2 250 × c (c en mol·L⁻¹). Une solution inconnue a une absorbance de 0,45.

Données

  • k = 2 250 L·mol⁻¹
  • A = 0,45

Ce qu'on cherche

La concentration de la solution inconnue.

Raisonnement

  1. La loi de Beer-Lambert s'écrit A = k·c.
  2. On isole c.
  3. Vérifier l'étalonnage : l'absorbance de l'inconnue doit se situer entre celles des étalons ; sinon, diluer puis corriger du facteur de dilution.
  4. La pente porte l'unité inverse de la concentration : ici L·mol⁻¹.

Formules utilisées

c = Ak

Calculs

c = 0,45 / 2 250

c = 2,0 × 10⁻⁴ mol·L⁻¹

Résultat

c = 2,0 × 10⁻⁴ mol·L⁻¹

Conclusion

La concentration calculée doit encore être vérifiée dans la gamme des étalons avant de conclure à la fiabilité de la mesure.

La méthode à retenir

Toujours vérifier que la mesure est comprise dans la gamme d'étalonnage.
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⚠️ Les erreurs à éviter

✗ Confondre couleur absorbée et couleur perçue.

Pourquoi : La couleur vue est la complémentaire.

✓ Utiliser le cercle chromatique.

✗ Oublier la conversion mol·L⁻¹ → mol·m⁻³ dans Kohlrausch.

Pourquoi : Erreur d'un facteur 1 000.

✓ Multiplier les mol·L⁻¹ par 10³.

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À retenir

Notions essentielles

  • • UV-visible : couleur et λ_max
  • • IR : liaisons et groupes
  • • Étalonnage

Formules

  • • A = ε·ℓ·c
  • • σ = Σλᵢ[Xᵢ]

Unités

  • • A sans unité
  • • σ en S·m⁻¹
  • • σ IR en cm⁻¹

Méthodes

  • • Gamme d'étalons → droite → lecture
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Quiz de fin de chapitre

Question 1 / 8

Une solution absorbe surtout dans le bleu. Quelle est sa couleur ?

Question 2 / 8

D'après Beer-Lambert, si la concentration double, l'absorbance double.

Question 3 / 8

Une bande fine et intense vers 1 700 cm⁻¹ indique :

Question 4 / 8

A = 0,80 et k = 4 000 L·mol⁻¹. Quelle est c ?

Question 5 / 8

Quelles unités sont correctes ?

Plusieurs réponses sont possibles.

Question 6 / 8

À quoi sert le blanc avant un dosage UV-visible ?

Question 7 / 8

Une solution diluée 5 fois donne c = 0,020 mol·L⁻¹. Quelle était sa concentration initiale ?

Question 8 / 8

En transmittance IR, une absorption se lit comme :

Réponds à toutes les questions pour valider.