Méthodes physiques d’analyse
Dosages par étalonnage, spectrophotométrie, conductimétrie, détermination d’une quantité de gaz, spectroscopie UV-visible et infrarouge.
Physique-Chimie – Méthodes physiques d’analyse
En résumé
Les méthodes physiques d’analyse permettent d’identifier ou de quantifier une espèce chimique sans utiliser nécessairement une réaction chimique support. On exploite une grandeur mesurable : absorbance, conductivité, pression, volume, température ou spectre.
Ce qu’il faut savoir faire
- Expliquer le principe d’un dosage par étalonnage.
- Utiliser une courbe d’étalonnage pour déterminer une concentration inconnue.
- Exploiter la loi de Beer-Lambert A = εlC.
- Exploiter la loi de Kohlrausch pour une solution ionique diluée.
- Utiliser l’équation d’état du gaz parfait PV = nRT.
- Utiliser le volume molaire d’un gaz lorsque les conditions sont fixées.
- Interpréter un spectre UV-visible et repérer λmax.
- Lire un spectre infrarouge pour identifier des liaisons ou groupes caractéristiques.
1. Les dosages par étalonnage
Un dosage par étalonnage permet de déterminer la concentration d’une espèce chimique en comparant une mesure réalisée sur la solution inconnue à une série de mesures obtenues avec des solutions étalons de concentration connue.
Préparer des solutions étalons, mesurer une grandeur physique, tracer la courbe d’étalonnage, puis lire la concentration inconnue.
Absorbance en spectrophotométrie ou conductivité en conductimétrie.
a. Dosage spectrophotométrique
Le dosage spectrophotométrique s’appuie sur l’absorbance d’une solution colorée ou absorbant dans l’UV-visible. Pour une longueur d’onde choisie, la loi de Beer-Lambert donne :
Si ε et l sont constants, l’absorbance A est proportionnelle à la concentration C.
b. Dosage conductimétrique
La conductimétrie mesure la capacité d’une solution ionique à conduire le courant. Pour une solution diluée, la conductivité dépend de la concentration et de la nature des ions présents.
2. La détermination d’une quantité de gaz
a. Équation d’état du gaz parfait
Un gaz peut être modélisé par le modèle du gaz parfait si les interactions entre entités sont négligeables. L’équation d’état s’écrit :
avec P en pascal, V en mètre cube, n en mole, T en kelvin et R = 8,314 Pa·m³·mol⁻¹·K⁻¹.
b. Volume molaire d’un gaz
À température et pression fixées, une même quantité de matière de gaz occupe le même volume, quel que soit le gaz. On peut alors utiliser le volume molaire Vm :
3. La spectroscopie
a. Spectroscopie UV-visible
La spectroscopie UV-visible consiste à mesurer l’absorbance d’une solution en fonction de la longueur d’onde. Le spectre obtenu permet d’identifier une espèce chimique grâce à la longueur d’onde d’absorption maximale λmax.
Une espèce colorée absorbe certaines radiations du visible. La couleur observée correspond souvent à la couleur complémentaire de la radiation absorbée.
b. Spectroscopie infrarouge
La spectroscopie infrarouge est une technique d’analyse qui permet d’identifier des liaisons chimiques ou des groupes caractéristiques. Les bandes d’absorption apparaissent à des nombres d’onde caractéristiques.
| Liaison ou groupe | Zone indicative | Interprétation |
|---|---|---|
| O—H | environ 3200–3600 cm⁻¹ | Bande souvent large, alcools ou acides carboxyliques. |
| C=O | environ 1650–1750 cm⁻¹ | Bande forte, carbonyles : aldéhydes, cétones, acides, esters. |
| C—H | environ 2850–3100 cm⁻¹ | Liaisons présentes dans de nombreuses molécules organiques. |
| N—H | environ 3100–3500 cm⁻¹ | Présence possible d’amines ou d’amides. |
Activité expérimentale : préparer une solution pour un dosage par étalonnage conductimétrique
Pour réaliser un dosage par étalonnage conductimétrique, on prépare d’abord une série de solutions étalons de concentrations connues. Chaque solution est mesurée avec une cellule conductimétrique, puis les valeurs obtenues permettent de tracer une courbe d’étalonnage.
On prélève un volume précis de solution mère à l’aide d’une pipette jaugée.
On introduit ce volume dans une fiole jaugée, puis on complète avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge.
On mesure la conductivité de chaque solution étalon et on trace σ = f(C).
Mots-clés à connaître
Ces notions seront reliées au lexique Physique-Chimie dès que la page lexique sera créée.
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Carte mentale de synthèse
Spectroscope et identification
Un spectroscope permet d’obtenir un spectre, c’est-à-dire une représentation des radiations absorbées ou transmises par une espèce chimique. En UV-visible, on repère notamment la longueur d’onde du maximum d’absorption. En infrarouge, on repère les bandes caractéristiques des liaisons.
On utilise surtout λmax et l’intensité de l’absorbance pour identifier ou doser une espèce colorée.
On compare les bandes d’absorption à une table pour identifier des groupes caractéristiques comme O—H, C=O, C—H ou N—H.
Méthode express
Phrase modèle : La grandeur physique mesurée est reliée à la concentration par une courbe d’étalonnage. La mesure effectuée sur la solution inconnue permet donc de déterminer sa concentration par lecture graphique ou par calcul.
Erreurs fréquentes
QCM interactif
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1. Un dosage par étalonnage permet de déterminer…
2. La loi de Beer-Lambert relie…
3. Dans la loi A = εlC, l’absorbance A est…
4. La loi de Kohlrausch concerne…
5. Pour un gaz parfait, l’équation d’état est…
6. La température utilisée dans PV = nRT doit être exprimée en…
7. La spectroscopie UV-visible exploite principalement…
8. La longueur d’onde correspondant au maximum d’absorbance est notée…
9. La spectroscopie infrarouge permet surtout d’identifier…
10. Une bande large autour de 3200–3600 cm⁻¹ peut indiquer…
Mini-entraînement
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Exercice 1
Une solution inconnue a une absorbance A = 0,80. La courbe d’étalonnage vérifie A = 4,0×10³ × C avec C en mol·L⁻¹. Déterminer C.
Correction : C = A / 4,0×10³ = 0,80 / 4,0×10³ = 2,0×10⁻⁴ mol·L⁻¹.
Exercice 2
Un gaz occupe V = 2,40 L sous P = 1,00×10⁵ Pa à T = 300 K. Calculer n avec R = 8,314 Pa·m³·mol⁻¹·K⁻¹.
Correction : V = 2,40×10⁻³ m³. n = PV/RT = 1,00×10⁵ × 2,40×10⁻³ /(8,314×300) = 9,6×10⁻² mol environ.
Exercice 3
Une solution ionique contient un seul ion X⁺ de concentration 1,0×10⁻² mol·L⁻¹. Explique pourquoi sa conductivité augmente si sa concentration double.
Correction : selon la loi de Kohlrausch, σ est proportionnelle aux concentrations ioniques. Si la concentration double, la contribution de cet ion à la conductivité double.
Exercice 4
Un spectre IR présente une bande forte vers 1700 cm⁻¹. Quel groupe peut être suspecté ?
Correction : une bande forte vers 1650–1750 cm⁻¹ indique souvent la présence d’une liaison C=O, donc d’un groupe carbonyle.
Exercice 5
Un spectre UV-visible présente un maximum d’absorption à λmax = 520 nm. Quelle information ce maximum fournit-il ?
Correction : λmax est une longueur d’onde caractéristique de l’espèce absorbante. Elle peut servir à l’identifier et à choisir la longueur d’onde de travail pour un dosage.
Une méthode physique d’analyse transforme une mesure expérimentale en information chimique : concentration, quantité de matière ou identification d’une espèce.