La couleur d'une solution est intrinsèquement liée à son interaction avec la lumière. Lorsqu'une lumière blanche traverse une solution colorée, certaines radiations lumineuses sont absorbées, tandis que d'autres sont transmises. L'étude de ce phénomène, notamment à travers la mesure de l'absorbance, permet de caractériser les solutions et de comprendre la relation entre la lumière absorbée et la couleur que nous percevons.
Absorbance (A)
Grandeur sans unité qui caractérise la capacité d'une solution colorée à absorber une partie de la lumière qui la traverse. Plus l'absorbance est élevée, plus la lumière est absorbée.
Spectrophotomètre
Appareil permettant de mesurer l'absorbance d'une solution pour différentes longueurs d'onde, ou à une longueur d'onde spécifique.
Spectre d'absorption
Graphique représentant l'absorbance d'une solution en fonction de la longueur d'onde de la radiation lumineuse. Il révèle les longueurs d'onde majoritairement absorbées.
Longueur d'onde (λ)
Caractéristique d'une radiation lumineuse, déterminant sa couleur. Elle est mesurée en nanomètres (nm).
Couleurs complémentaires
Deux couleurs qui, lorsqu'elles sont mélangées, produisent du blanc (pour les lumières) ou du noir (pour les pigments). Sur le cercle chromatique, elles sont diamétralement opposées. La couleur perçue d'une solution est la couleur complémentaire de celle qu'elle absorbe le plus.
La lumière et les solutions colorées La lumière blanche est un mélange de radiations de différentes longueurs d'onde, chacune correspondant à une couleur spécifique (du violet au rouge). Lorsqu'elle traverse une solution colorée, cette dernière absorbe sélectivement certaines de ces radiations. Les radiations non absorbées sont transmises et c'est leur mélange qui donne la couleur perçue par l'œil. Le spectre de la lumière blanche s'étend du violet (environ 400 nm) au rouge (environ 800 nm), englobant le domaine visible.
Mesure de l'Absorbance par Spectrophotométrie L'absorbance (A) est une grandeur quantitative qui mesure la proportion de lumière absorbée par une solution. Elle est sans unité. Un spectrophotomètre est utilisé pour mesurer cette absorbance. Une valeur d'absorbance de 0 indique qu'aucune lumière n'est absorbée, tandis qu'une absorbance de 1 signifie que 90% de la lumière incidente est absorbée (seuls 10% sont transmis). Le spectrophotomètre envoie une lumière monochromatique (de longueur d'onde sélectionnée) à travers une cuve contenant la solution. Un capteur mesure l'intensité de la lumière transmise et calcule l'absorbance.
Schéma de principe d'un spectrophotomètre
Spectre d'absorption et Couleurs complémentaires Le spectre d'absorption d'une solution est un graphique qui montre comment l'absorbance varie en fonction de la longueur d'onde. Il permet d'identifier les radiations lumineuses les plus absorbées par la solution. La longueur d'onde pour laquelle l'absorbance est maximale est appelée λmax. La couleur perçue d'une solution est la couleur complémentaire de la couleur majoritairement absorbée (celle correspondant à λmax). Les couleurs complémentaires sont opposées sur le cercle chromatique.
Cercle chromatique des couleurs complémentaires
Par exemple, si une solution absorbe principalement dans le vert (λmax autour de 530 nm), elle apparaîtra violette à nos yeux, car le violet est la couleur complémentaire du vert.
La Loi de Beer-Lambert Pour une longueur d'onde donnée (généralement λmax), l'absorbance A d'une solution colorée est proportionnelle à sa concentration C en espèce chimique absorbante, à l'épaisseur l de la cuve et au coefficient d'absorption molaire ε de l'espèce.
Loi de Beer-Lambert
Où:
- A est l'absorbance (sans unité)
- ε est le coefficient d'absorption molaire (en L·mol⁻¹·cm⁻¹)
- l est l'épaisseur de la solution traversée (longueur de la cuve en cm)
- C est la concentration de la solution (en mol·L⁻¹)
Dosage par étalonnage spectrophotométrique Le dosage par étalonnage est une méthode qui permet de déterminer la concentration inconnue d'une espèce chimique dans une solution en mesurant son absorbance et en la comparant à celle de solutions étalons (de concentrations connues). Cette méthode est appelée dosage spectrophotométrique. Les étapes clés sont :
- **Choix de la longueur d'onde**: On se place à λmax pour maximiser la sensibilité et la précision de la mesure.
- **Réglage du blanc**: On ajuste le spectrophotomètre à zéro d'absorbance avec une cuve contenant le solvant pur (le "blanc") pour éliminer l'absorption du solvant et de la cuve.
- **Préparation des solutions étalons**: On prépare une série de solutions de concentrations connues par dilution d'une solution mère.
- **Mesure des absorbances**: On mesure l'absorbance de chaque solution étalon.
- **Tracé de la courbe d'étalonnage**: On trace le graphique A = f(C). Cette courbe doit être une droite passant par l'origine dans le domaine de linéarité de la loi de Beer-Lambert.
Exemple de courbe d'étalonnage A = f(C)
6. **Détermination de la concentration inconnue**: On mesure l'absorbance de la solution de concentration inconnue (Ainconnue), puis on utilise la courbe d'étalonnage pour lire la concentration correspondante (Cinconnue) ou on la calcule à partir de l'équation de la droite d'étalonnage. Il est important de noter que la loi de Beer-Lambert n'est valide que pour des solutions suffisamment diluées. Si la solution est trop concentrée, la relation A=f(C) n'est plus linéaire.
A retenir :
- L'absorbance (A) mesure la capacité d'une solution à absorber la lumière, mesurée par un spectrophotomètre.
- Le spectre d'absorption montre l'absorbance en fonction de la longueur d'onde (λ), révélant la λmax.
- La couleur perçue d'une solution est la couleur complémentaire de celle qu'elle absorbe le plus, identifiable sur le cercle chromatique.
- La loi de Beer-Lambert établit que l'absorbance est proportionnelle à la concentration de la solution (A = ε × l × C) à une longueur d'onde donnée.
- Le dosage par étalonnage spectrophotométrique utilise cette proportionnalité pour déterminer une concentration inconnue en comparant l'absorbance de la solution à une courbe d'étalonnage.