Spectrophotométrie 172338 30917438 2008-06-23T13:37:58Z 193.50.215.60 /* Principe */ {{ébauche|chimie}} [[image:Spektrofotometri.jpg|thumb|300px|Un spectrophotomètre]] La '''spectrophotométrie''' est une méthode analytique quantitative qui consiste à mesurer l''''[[absorbance]]''' ou la densité optique d'une [[Composé chimique|substance chimique]] donnée en [[Solution (chimie)|solution]]. Plus cette espèce est concentrée plus elle absorbe la lumière dans les limites de proportionnalités énoncées par la [[loi de Beer-Lambert]]. La densité optique des solutions est déterminée par un '''[[spectrophotomètre]]''' préalablement étalonné sur la [[longueur d'onde]] d'absorption de l'[[espèce chimique]] à étudier. ==Principe== ''Pour plus de détails, voir l'article [[Loi de Beer-Lambert]]'' <br> Lorsqu’une lumière d’intensité <math>I_0 \;</math> passe à travers une solution, une partie de celle ci est absorbée par le(s) soluté(s). L’intensité <math>I \;</math> de la lumière transmise est donc inférieure à <math>I_0 \;</math>. On définit l’'''[[absorbance]]''' de la solution comme : :<math> A = \log_{10}\left({\frac{I_0}{I}}\right) </math> On parle aussi de '''[[transmittance]]''' définie par la relation : :<math> T = \frac{I}{I_0} </math> c'est-à-dire que <math>A = -\log{T} \;</math> L’absorbance est une valeur positive, sans unité. Elle est d’autant plus grande que l’intensité transmise est faible. La '''[[Loi de Beer-Lambert|relation de Beer-Lambert]]''' décrit que, à une longueur d’[[onde]] λ donnée, l’absorbance d’une solution est proportionnelle à la [[Concentration molaire|concentration]] des espèces de la solution, et à la longueur du [[Chemin optique|trajet optique]] (distance sur laquelle la lumière traverse la solution). Alors, pour une [[Solution (chimie)|solution]] limpide contenant une seule espèce absorbante : :{| border=1 cellpadding=10 style="border-collapse:collapse" |----- |<math> A_\lambda = \varepsilon_\lambda \; l \; c </math> |} * <math>A_\lambda \;</math> est l’absorbance ou la [[densité optique]] de la solution pour une [[longueur d'onde]] λ ; * <math>c \;</math> (en mol.L<sup>-1</sup>) est la concentration de l’espèce absorbante ; * <math>l \;</math> (en cm) est la longueur du [[Chemin optique|trajet optique]] ; * <math>\varepsilon_\lambda \;</math> (en mol<sup>-1</sup>.L.cm-1) est le [[Absorptivité molaire|coefficient d’extinction molaire]] de l’espèce absorbante en solution. Il rend compte de la capacité de cette espèce à absorber la lumière, à la longueur d’onde λ. La loi de Beer-Lambert est additive (mais non la transmittance). Ainsi, pour une solution contenant plusieurs espèces absorbantes, l’absorbance de la solution est la somme de leurs absorbances. Pour n espèces absorbantes : : <math>A = \sum_{i=1}^n A_i(\varepsilon_{\lambda, i}, l=1cm, c_i) = \varepsilon_{\lambda,1} \; c_1 + \varepsilon_{\lambda,2} \; c_2 + ... + \varepsilon_{\lambda,n} \; c_n</math> ==Domaine UV-visible de la spectrophotométrie== ''Pour plus de détails, voir l'article [[Spectroscopie]]'' Un soluté coloré ou [[chromophore]] absorbe la lumière visible ([[longueur d'onde|longueurs d'onde]] comprises entre 400 et 800 [[nanomètre|nm]]). On parle de spectrophotocolorimétrie ou plus simplement de [[Colorimètre|colorimétrie]]. Certaines solutions absorbent dans l'[[ultraviolet]] (longueurs d'onde inférieures à 380 nm), on parle alors de spectrophotométrie [[Ultraviolet|UV]]. Les [[infrarouge]]s ne sont pas utilisés en spectrophotométrie car ils dépendent surtout de la [[température]] de la solution et non de sa [[Concentration molaire|concentration]], il sont plutôt couverts par la spectroscopie en infrarouge. La spectrophotométrie est plus spécifique que la '''[[spectroscopie]]''' qui couvre d'autres longueurs d'ondes du [[spectre électromagnétique]]. ==Spectrophotomètre== ''Pour plus de détails, voir l'article [[Spectrophotomètre]]'' [[Image:Spetrophotometer-fr.svg|center]] <center> '''Schéma de principe du spectrophotomètre UV-visible monofaisceau''' </center> Un '''[[spectrophotomètre]]''' mesure l’absorbance d’une solution à une longueur d’onde donnée. Un dispositif [[monochromateur]] permet de générer, à partir d’une source de [[lumière visible]] ou [[Ultraviolet|ultraviolette]], une lumière [[monochromatique]], dont la longueur d’onde est choisie par l’utilisateur. La lumière monochromatique incidente d’intensité <math>I_0 \;</math> traverse alors une cuve contenant la solution étudiée, et l’appareil mesure l’intensité <math>I \;</math> de la lumière transmise. La valeur affichée par le spectrophotomètre est l’absorbance à la longueur d’onde étudiée. Le spectrophotomètre peut être utilisé pour mesurer de manière instantanée une absorbance à une longueur d’onde donnée, ou pour produire un spectre d’absorbance (spectrophotomètre à balayage). Dans ce dernier cas, le dispositif monochromateur décrit en un temps court l’ensemble des longueurs d’onde comprises entre deux valeurs choisies par l’opérateur. ==Limites== Plusieurs facteurs peuvent dégrader la loi de Beer-Lambert et limiter la validité de la spectrophotométrie : * Le domaine de mesure idéal est pour les valeurs de [[transmittance|T]] situées entre 20 et 60%. * Plusieurs aberrations optiques liés à la [[Diffusion des ondes|diffusion]], la [[Réflexion optique|réflexion]] et la [[diffraction]] de la lumière peuvent fausser la mesure. * Les phénomènes de [[fluorescence]] ainsi que d'autres particularités chimiques liées aux espèces absorbantes peuvent interférer. * Plus la densité du soluté est importante, plus le faisceau de lumière incident sera [[réfraction|réfracté]] avec une valeur donnée. Cette tendance est normalement infime mais devient plus prononcée avec les hautes concentrations. Ainsi, la réfraction réduit l'intensité de la lumière transmise et l'instrument indique faussement une absorbance plus élevée. Généralement, ce phénomène peut être évité en travaillant avec des concentrations inférieures à 0,01 mol.l<sup>-1</sup>. ===Importance du phénomène de diffusion <ref>{{en}}[http://www.ecs.umass.edu/cee/reckhow/courses/572/572bk17/572BK17.html light-scattering and molecular spectrophotometry]</ref>=== Comme la loi de Beer-Lambert le stipule, le pouvoir d'un milieu à blocker le passage de la lumière est quantifié par un [[coefficient d'extinction]] donné par l'équation : :<math>I / I_0 = e^{-\gamma \, x}. \,</math> Cette impédance est générée par deux phénomènes distincts : l'absorbance et la diffusion. * La diffusion intervient lorsque la lumière est défléchie par les particules du milieu de manière à ne pas atteindre l'autre côté de l'échantillon. * L'absorbance est le processus par lequel l'énergie lumineuse est absorbée par les molécules de l'échantillon avant d'être libérée sous forme de chaleur ou emmagasinée sous forme de liaisons chimiques. Donc que le coefficient <math>\gamma \,</math> de l'équation précédente est composé par le ''coefficient de diffusion'' (<math>\tau \,</math>) ainsi que celui de l'''absorption'' (<math>\alpha \,</math>), c'est à dire : :<math>\gamma = \tau \,+\, \alpha.</math> Le coefficient de diffusion peut être exprimé par le produit de la ''concentration des particules'', <math>N \,</math>, et la ''[[section efficace]]'' de celles-ci, <math>\sigma \,</math> (à supposer que ces particules sont homogènes et régulièrement réparties dans le milieu), on a : :<math>\tau = N \, \sigma.</math> La section efficace, qui est une mesure de la proportion de lumière diffusé par particule, est fonction de leur taille. En effet, pour les particules de petite taille (p. ex. leur diamètre représente 10% de la longueur d'onde incidente) la [[Diffusion Rayleigh|diffusion de Rayleigh]] prédomine. La diffusion de Rayleigh dépend de la longueur du parcours, de la concentration des particules diffusantes, de la longueur d'onde et de la [[Polarisation (optique)|polarisation]] de cette dernière. Pour une particule idéalement sphérique, la section efficace de Rayleigh s'écrit : :<math> \sigma_s = \frac{ 2 \pi^5}{3} \frac{d^6}{\lambda^4} \left( \frac{ n^2-1}{ n^2+2 } \right)^2. </math> * <math>d\,</math> est le diamètre des particules, * <math>\lambda\,</math> est la longueur d'onde, * <math>n\,</math> est l'[[indice de réfraction]]. Cette équation prédit que les courtes longueur d'ondes seront les plus diffusées. <br> Pour des particules plus grosses que la longueur d'onde, elles font l'objet d'un phénomène plus complexe appelé [[Théorie de Mie|diffusion de Mie]]. Puisque la lumière sera diffusée selon différents angles, dans ce cas la forme des particules doit être prise en compte dans la section efficace. La section efficace maximale est obtenu quand la taille de la particule est proche de la longueur d'onde incidente. La diffusion diminue de plus en plus que la différence entre la taille de la particule et la longueur d'onde augmente (c'est le cas de la spectrophotométrie moléculaire). ==Applications== ; Détermination d'une concentration inconnue Connaissant le [[Spectre électromagnétique|spectre d'absorption]] d'une espèce chimique, on peut mesurer, à l'une de ses longueurs d'onde <math>\lambda_{max} \;</math> (là où l'absorption est maximale) les variations de l'intensité <math>I \;</math> d'un faisceau lumineux traversant une même épaisseur <math>l \;</math> de solutions de concentrations diverses. [[Image:Courbe d'étalonnage de permanganate de potassium.JPG|thumb|Courbe d'étalonnage]] Ceci permet d'établir expérimentalement la courbe <math>A = f (c) \;</math> reliant l'absorbance et la concentration de la substance étudiée (avec <math>l = 1 cm \;</math>), en effectuant les mesures de <math>A \;</math> pour diverses concentrations. Cette courbe est une '''courbe d'étalonnage'''. La courbe expérimentale d'étalonnage permet ensuite de déterminer la concentration inconnue d'une solution de cette substance par simple mesure de son absorbance et report sur le graphe <math>A = f (c) \;</math>. La loi de Lambert-Beer a des limites. Elle n'est linéaire que dans un intervalle de concentrations réduit regroupant des valeurs inférieures à 10<sup>-2</sup>mol.l<sup>-1</sup>. [[Image:Absorbance d'une solution en fonction du temps.JPG|thumb|Suivi cinétique ]] ; Suivi de la cinétique d'une réaction chimique Lorsqu'au cours d'une [[réaction chimique]] dont on veut étudier la [[Cinétique chimique|cinétique]] de l'une des espèces chimique en solution, on peut par spectrophotométrie d'absorption suivre la concentration de cette espèce (généralement colorée). Si cette espèce est un [[réactif]], l'absorbance de la solution diminue au cours du temps. Si au contraire, c'est un [[Produit de réaction|produit]] de la réaction, l'absorbance de la solution augmente au cours du temps. '''Exemples''' * On peut suivre la cinétique de la [[réaction d'oxydo-réduction]] en milieu [[acide]], entre l'[[acide oxalique]] C<sub>2</sub>H<sub>2</sub>O<sub>4</sub> par l'ion [[permanganate]] MnO<sub>4</sub><sup>-</sup> (couleur violette) par la mesure de la diminution d'absorbance de ce dernier pour la longueur d'onde λ = 540 nm. :<math>2MnO_4^- (violet) + 6H^+ + 5C_2O_4H_2 \rightarrow 2Mn^{2+} (incolore) + 8H_2O + 10CO_2</math> == Voir aussi == *[[Lumière]] *[[Chromophore]] *[[Absorbance]] *[[Spectrométrie d'absorption]] *[[Spectroscopie]] ==Références== James HENKEL, Essentials of drug product quality (p 130,133). 1978, The Mosby Company, {{ISBN| 0801600316}}. <references /> == Liens externes == * [http://www.chm.davidson.edu/java/spec/spec.html Simulation d'un spectrophotomètre] <small>('''Ang''')</small> {{Portail|chimie|Biochimie}} [[Catégorie:Spectroscopie]] [[Catégorie:Chimie analytique]] [[Catégorie:Instrument de mesure]] [[cs:Spektrofotometrie]] [[da:Spektrofotometri]] [[de:Spektralfotometer]] [[en:Spectrophotometry]] [[es:Espectrofotometría]] [[fi:Spektrofotometri]] [[he:ספקטרופוטומטר]] [[id:Spektrograf]] [[it:Spettrofotometria]] [[ja:分光測色法]] [[nl:Spectrograaf]] [[pl:Spektrofotometria]] [[pt:Espectrofotometria]] [[ru:Спектрофотометрия]] [[simple:Spectrophotometer]] [[uk:Спектрофотометр]] [[zh:分光技术]]