À ce stade de l’année, nous connaissons les grandeurs « concentration massique » et « concentration molaire ». Il est assez facile de calculer leur valeur lorsqu’on sait comment la solution a été préparée : il suffit de diviser la masse (ou la quantité de matière) de soluté apporté par le volume du solvant1.
Mais comment déterminer la concentration en soluté apporté d’une solution que l’on n’a pas préparé ? Comment vérifier la valeur de la concentration en soluté apporté d’une solution ?
Ce chapitre introduit une méthode permettant de répondre à ces questions à la condition que la solution soit colorée !
Pourquoi une solution est-elle colorée ?
Lumière blanche
- La lumière blanche contient toutes les radiations visibles par l’œil.
- Ces différentes radiations sont caractérisées par leur longueur d’onde[^1] $\lambda$ et perçues comme des lumières de couleurs différentes. À chaque longueur d’onde correspond une couleur.
> Spectre de la lumière blanche
| Couleur | Violet | Bleu | Vert | Jaune | Orange | Rouge |
|---|---|---|---|---|---|---|
| $\lambda$ (m) | 400 – 424 | 424 – 491 | 491 – 575 | 575 – 585 | 585 – 647 | 647 – 750 |
Lumière colorée
- Une lumière ne comportant pas toutes les radiations du spectre visible ou des radiations en proportions très différentes est colorée.
- Dans le cas où une couleur est absente, la couleur de la lumière est la couleur complémentaire de cette couleur.
> L'analyse d'une lumière (ici plutôt rouge) permet de déterminer non seulement quelles radiations la composent mais aussi dans quelles proportions. Cette analyse est effectuée à l'aide d'un **spectrophotomètre**.
Solution colorée
- Une solution est colorée si elle absorbe une partie des radiations de la lumière incidente.
- La solution soustrait à la lumière incidente les couleurs qu’elle absorbe.
- La couleur de la solution est alors la couleur complémentaire de la couleur absorbée.
Loi de Beer-Lambert
Absorbance d’une solution colorée
L’expression mathématique de l’absorbance $A$ (qu’il ne faut pas apprendre !) est
$$A_{\lambda} = \log \left( \dfrac{I_0}{I_{\lambda_{\lambda} }} \right)$$
Ce qu’il faut retenir, c’est que l’absorbance fait intervenir une comparaison des intensités des lumières incidente et transmise.
Loi de Beer-Lambert
La loi de Beer-Lambert, découverte par Pierre Bouguer en 1729, est une relation empirique reliant l’absorption de la lumière aux propriétés des milieux qu’elle traverse.
La loi de Beer-Lambert établit une proportionnalité entre la concentration molaire $C$ d’une entité chimique en solution, l’absorbance $A$ de celle-ci et la longueur $l$ du trajet parcouru par la lumière dans la solution. $$A_λ=ε_λ l C$$
En pratique, on utilise $$A_λ=k C$$ Le coefficient de proportionnalité $k$ a pour unité $\pu{L/mol}$.
La loi de Beer-Lambert n’est cependant valable que sous certaines conditions :
- la lumière doit être monochromatique ;
- les solutions doivent être homogènes ;
- la concentration de la solution en soluté doit être faible (inférieure à $\pu{1e-2 mol/L}$) ;
- le soluté ne doit pas réagir sous l’action de la lumière incidente.
Dosage spectrophotométrique (ou colorimétrique)
- Doser une solution consiste à déterminer la concentration (molaire) d’une espèce chimique en solution.
- Un dosage colorimétrique est un type de dosage possible lorsque l’espèce chimique colore la solution et que la loi de Beer-Lambert peut être utilisée.
- Il est nécessaire de réaliser, dans un premier temps, une courbe d’étalonnage à l’aide d’une échelle de teinte dont les concentrations encadrent la concentration recherchée.
- La longueur d’onde du filtre choisi doit correspondre au rayonnement pour lequel l’absorbance de la solution est maximale.
-
On suppose que la dissolution s’effectue sans changement de volume. ↩︎