Spectrophotométrie - Le retour de la suite
Je vous ai raconté il n'y a pas longtemps qu'on pouvait grâce à un spectrophotomètre mesurer la quantité et la qualité (c'est à dire, la longueur d'onde) de la lumière qui arrive sur un capteur.
Je vous avais même dit que ces mesures pouvaient servir à des tas de choses ; en particulier, on peut s'en servir pour déterminer la concentration d'une solution : la preuve maintenant, hop, soyons des oufs-guedins de la laïfe. Ca part, comme on dit.
Supposons que, pour des raisons connues de vous seul*, vous disposiez d'une solution de permanganate de potassium dont vous ignorez la concentration. Vous pouvez en observer la jolie couleur violette-rose, plus ou moins foncée, mais c'est tout.
Bon ; un truc qui paraît assez simple, c'est que plus on mettra de permanganate dans l'eau de la solution, plus celle-ci va être foncée; si on fait une échelle de solutions de différentes concentrations, on n'aura qu'à trouver celle qui a la couleur la plus proche de celle qu'on voudrait doser, et hop! on aura notre concentration!
Bon, le problème, c'est que nos petits yeux sont finalement pas très
sensibles aux couleurs, et que la luminosité, l'éblouissement, ou
simplement des différences de perceptions des couleurs (si
votre petit frère adoré est, en plus d'être eczémateux, daltonien,
faites-lui faire ce genre d'expérience** (rapprocher la solution
inconnue de la solution connue qui ressemble le plus), vous allez voir,
c'est tordant***), bref tout un tas de facteurs ennuyeux vont
nous empêcher de faire ça bien, et puis en plus, c'est quand même pas
bien précis, tout ça****.
Donc, pour préciser le truc, lui donner un semblant d'apparence de rigueur scientifique, utiliser le budget du labo (autrement que dans l'achat d'une n-ième machine qui fait "ping" *****), donner à cette note un rapport avec son titre, et surtout faire intervenir des nombres, on va utiliser un spectrophotomètre! (youhou)
Et là où ca va devenir stylé, c'est que je vais pouvoir enfin vous parler de mon TP oùsque j'ai compris des trucs, vu que le TP en question, c'était exactement ça : déterminer la concentration d'une solution de permanganate de potassium avec un spectrophotomètre. La classe, hein.
L'appareil que j'ai utilisé fonctionnait d'une façon tout à fait hallucinamment simple : en fait, il disposait d'un moyen de régler la longueur d'onde, d'un dispositif qui envoyait un rayon de la longueur d'onde choisie, d'un endroit où mettre une cuve de solution, et d'un capteur qui récupérait l'intensité lumineuse à l'autre bout.
Normalement, si vous êtes un minimum curieux, c'est là que vous vous exclamez : "Eh! Mais pourquoi diable la flèche qui sort de la cuve est-elle plus fine que celle qui y entre?!?"
Je vous réponds : "Parce qu'en passant dans la cuve, le rayon perd de son intensité : il y a de la lumière qui est absorbée..."
Si
vous n'êtes pas si curieux que ça en fin de compte, vous vous taisez.
Vous pouvez aussi en profiter pour fermer votre navigateur web et aller
méditer sur le fait que la curiosité est un vilain défaut******.
Si vous êtes curieux, vous me re-répondez : "Mais pourquoi elle est absorbée, la lumière?"
Là, je souris, parce que c'est quand même monstre stylé, comme question. (non, je n'essaye pas d'éluder la réponse, ca fait quand même la deuxième note que je fais pour l'introduire, alors hein!).
Vous n'êtes pas sans savoir que la lumière peut être considérée comme un ensemble de photons, particules sans masse d'énergie h.ν, où h est la constante de Planck et ν la fréquence de l'onde associée.
Ce que vous ignorez probablement, en revanche, c'est qu'un atome est constitué d'un noyau, et d'électrons. Les électrons sont ordonnés suivant différentes couches, en fonction de leur niveau d'énergie. Les électrons "au repos" sont dits "dans leur état fondamental", et quand on excite un électron (en le chauffant par exemple, ou en le bombardant avec des rayonnements divers), il peut "sauter" d'un niveau d'énergie à un autre. Ces niveaux d'énergie sont quantifiés (c'est d'ailleurs de là que vient le nom de la physique quantique!) c'est-à-dire qu'on est obligé de "sauter" d'un niveau à l'autre (un peu comme les barreaux d'une échelle : on est obligés de se placer sur un barreau, et pas entre deux).
Supposons donc qu'un photon, par exemple issu de la source lumineuse du spectrophotomètre, arrive sur un atome, et frappe un électron "au repos".
Il va communiquer à cet électron son énergie, et être absorbé ; et si l'énergie est suffisante, l'électron pourra s'exciter, c'est-à-dire monter d'un niveau sur l'échelle des énergies.
Comme
sa position ne sera plus stable, il ne pourra rester que très peu de
temps dans cet état (environ 10-12 s.), et retombera très vite dans son
niveau fondamental (au repos). Émettant du même coup un photon, d'énergie la différence d'énergie entre le niveau excité et le niveau fondamental, c'est à dire... h.ν.
Donc, il ré-émet en quelque sorte le photon absorbé juste avant.
Là, si vous avez deux sous de jugeote, vous devez vous dire "Mais elle buggue complètement là, on lui demande comment ca se fait que la lumière est absorbée, et elle nous montre qu'elle est absorbée et aussitôt réémise! "
Oui, mais...
Mais le photon émis est émis dans une direction aléatoire de l'espace (et plus seulement dans la direction d'incidence). Donc la portion de rayons renvoyés dans la direction du capteur est petite, voire même... négligeable!
Donc, pour simplifier, seuls les photons n'ayant rencontré aucun électron arriveront jusqu'au capteur...
Et bien évidemment, plus il y aura
d'atomes (ou de molécules) disposés à absorber la radiation qu'on
envoie, plus il y aura de chances qu'un photon rencontre l'électron de
ses rêves, et se retrouve dans une direction aléatoire, plutôt que dans
notre capteur. Donc, plus la concentration est élevée, plus la solution
absorbe... moins l'intensité mesurée par le capteur est importante.
Et toc.
Concrètement, pour déterminer la concentration de notre solution, on va mesurer l'absorbance (c'est à dire la quantité de lumière absorbée) d'un certain nombre de solutions-étalons dont on connaîtra les concentrations, puis on tracera une courbe sur papier millimétré : la concentration en fonction de l'absorbance. Ensuite, on mesure l'absorbance de notre solution-mystère, et PAF! on aura sa concentration.
Magique, hein!
(ou pas.)
* Peut-être
avez-vous un petit frère (ou deux) à l'excéma atopique particulièrement
virulent, et qui doit donc prendre des bains de permanganate régulièrement, ou peut-être
l'avez-vous volé dans l'armoire personnelle de Snape / Rogue, ou
peut-être êtes-vous en plein TP de chimie, ou peut-être qu'un nain
unijambiste vous en a apporté une nuit de pleine lune, avec une
statuette enveloppée dans du jambon de Bayonne. Je ne veux pas le
savoir de toutes façons, l'important, c'est que vous disposiez (ou pas)
d'une solution de permanganate de potassium (KMnO4).
** Il est arrivé quand même qu'un magnifique spécimen de ma collection de petits
frères adorés à moi que j'aime par dessus tout débarque dans ma chambre où je travaillais sérieusement
(riez pas, c'était à l'époque où j'étais
encore en prépa, et donc je savais encore comment on faisait ça), tout
essoufflé d'avoir monté les escaliers, pour me montrer une boîte de
crayons de couleurs "qu'il avait rangé comme un arc en ciel". Inutile
de dire que les crayons étaient dans le désordre le plus absolu.
*** Je précise quand même que cette anecdote n'a pas pour but de se moquer des daltoniens, (je serai mal placée, moi, Super-Biglouche,
pour me moquer de gens qui voient pas bien...) mais de mettre en
évidence le fait que la vision des couleurs est hautement variable suivant les individus
(même en dehors de cas extrêmes comme le daltonisme), et que donc, on ne peut pas fonder une mesure physique dessus (même pas une mesure chimique, c'est dire).
A noter que comme il est ici question de variation de saturation, et non de
teinte, peut être que justement un œil daltonien y serait plus
sensible qu'un oeil "normal", parce que plus entraîné. Ca serait à
tester, ça ^^.
**** Et puis surtout, ca ne fait intervenir aucun nombre, donc, c'est pas marrant.
***** cette phrase contient une référence culturelle habilement dissimulée, sauras-tu la retrouver?
****** La curiosité est un très beau
défaut, je vous ferai dire. C'est mon avis, et je le partage
totalement. Je suis en revanche en total désaccord avec tous ceux qui
disent le contraire, l'inverse ou l'opposé.
Petite annonce de bas de note:
Je rentre chez moi tout à l'heure, pour repartir aussitôt chez mes
mamies pour fêter tous ensemble le Noyël. Donc, je n'ai aucune idée de quand, ni comment,
je serai à nouveau connectée.
Probablement demain, puisque je serai
chez mes parents à ce moment-là, mais probablement assez peu
disponible, parce que... je serai chez mes parents avec mes petits frères
à ce moment-là ! Et que nous avons tous les quatres beaucoup de câlins
et de chatouillis, de blagues de toto et de parties de memory, de
gâteaux à faire et de saladiers à lècher en retard...
Alors au cas où, je vous souhaite, en plus d'un joyeux solstice d'hiver, un Joyeux Noyël, et de bonnes vacances (pour ceux qui en ont... hinhinhin) , et faites des bisous aux gens que vous aimez, sinon, c'est pas drôle!
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