Terminale - Spécialité physique-chimie

Fiche de révision : Méthodes physiques d'analyse

Conductimétrie • UV-visible • loi de Beer-Lambert • spectroscopie IR • dosage par étalonnage

Objectif Bac : savoir choisir et exploiter une méthode physique pour identifier une espèce ou déterminer sa concentration.

1. La logique du chapitre à connaître pour le Bac

Schéma de choix d’une méthode d’analyse : concentration, étalonnage, détermination de concentration et identification par spectre IR
Compétence BacÀ savoir rédigerPièges d'unités

2. Conductimétrie : relier les ions à la conductivité

Conductance et conductivité

Une solution ionique placée entre deux électrodes se comporte comme un conducteur. Sa conductance traduit sa capacité à laisser passer le courant.

G = 1 / R
G en siemens (S), R en ohms (Ω)

La conductance dépend de la cellule utilisée. Pour caractériser la solution elle-même, on utilise la conductivité σ.

σ = G / k
σ en S·m-1 ; k = constante de cellule

Loi de Kohlrausch

Pour une solution suffisamment diluée, la conductivité est la somme des contributions de tous les ions présents.

σ = Σ λi · [Xi]
  • λi : conductivité molaire ionique, en S·m²·mol-1.
  • [Xi] : concentration de l'ion, obligatoirement en mol·m-3.
Piège classique au BacDans Kohlrausch, ne jamais injecter directement une concentration en mol·L-1. Convertir d'abord : 1 mol·L-1 = 1000 mol·m-3.
Exemple-type

Pour NaCl totalement dissous : [Na+] = [Cl-] = c. Donc σ = λ(Na+)c + λ(Cl-)c. Avec c = 1,0×10-2 mol·L-1 = 10 mol·m-3, λ(Na+) = 5,01×10-3 et λ(Cl-) = 7,63×10-3 S·m²·mol-1, on obtient σ ≈ 0,126 S·m-1.

Méthode Bac - exercice de conductimétrie
  1. Identifier tous les ions présents.
  2. Écrire la loi de Kohlrausch adaptée à la solution.
  3. Exprimer les concentrations ioniques en fonction de la concentration recherchée.
  4. Convertir les concentrations en mol·m-3.
  5. Isoler l'inconnue, calculer puis donner l'unité.

3. Spectrophotométrie UV-visible : déterminer une concentration

Principe

Une lumière d'intensité I0 traverse la solution. Une partie du rayonnement est absorbée ; le détecteur reçoit une intensité I plus faible.

L'absorbance A est une grandeur sans unité. À longueur d'onde et cuve fixées, elle augmente avec la concentration de l'espèce colorée.

Couleur perçue et λmax

On choisit en général la longueur d'onde où l'absorbance est maximale, notée λmax, afin d'améliorer la sensibilité de la mesure.

La couleur observée est complémentaire de la couleur principalement absorbée.

Exemple du coursMnO4- absorbe fortement vers 525 nm, dans le vert : la solution apparaît violette.

Loi de Beer-Lambert

A = ε · l · c
A sans unité ; ε en L·mol-1·cm-1 ; l en cm ; c en mol·L-1

À cuve et longueur d'onde fixées, la relation s'écrit aussi A = k·c. La courbe d'étalonnage est alors une droite passant par l'origine tant que le domaine de linéarité est respecté.

Exemple-type

Pour une solution de permanganate : A = 0,45 ; ε = 2,4×103 L·mol-1·cm-1 ; l = 1,0 cm.

c = A/(ε·l) = 0,45/(2,4×103×1,0) ≈ 1,9×10-4 mol·L-1
Méthode Bac - exploiter Beer-Lambert
  1. Repérer la longueur d'onde utilisée et vérifier qu'elle est la même pour l'étalonnage et l'échantillon.
  2. Identifier la relation fournie : A = k·c ou A = ε·l·c.
  3. Vérifier les unités avant le calcul.
  4. Calculer c puis vérifier qu'elle appartient au domaine d'étalonnage.

4. Spectroscopie infrarouge : identifier un groupe caractéristique

En infrarouge, le rayonnement met les liaisons moléculaires en vibration. On exploite un spectre de transmittance T en fonction du nombre d'onde ν̄.

ν̄ = 1 / λ
en pratique, ν̄ est exprimé en cm-1
Liaison / groupeZone du spectreAspect typique de la bandeÀ retenir pour conclure
O-H d'un alcool3200 - 3550 cm-1bande fine à large, intenseindice d'un groupe hydroxyle
O-H d'un acide carboxylique2500 - 3200 cm-1très largeindice fort d'un groupe carboxyle
N-H d'une amine3100 - 3500 cm-1moyenne, parfois doublepeut signaler une amine
C-H2800 - 3100 cm-1finetrès fréquente, peu discriminante seule
C=O1650 - 1730 cm-1fine et intenseindice d'un groupe carbonyle
Méthode Bac - lire un spectre IR
  1. Repérer d'abord les bandes fortes et caractéristiques.
  2. Comparer leur position aux données de l'énoncé.
  3. Utiliser aussi les absences de bandes pour éliminer des familles.
  4. Conclure sur un groupe caractéristique puis sur la famille chimique si le contexte le permet.
Exemple-type du cours

Une bande fine intense à 1715 cm-1 révèle C=O. L'absence de large bande O-H entre 2500 et 3550 cm-1 exclut alcool et acide carboxylique. Dans le cas de l'oxydation ménagée d'un alcool secondaire, l'espèce obtenue est cohérente avec une cétone.

5. Dosage par étalonnage : la méthode complète attendue

1. Préparerune gamme d'au moins cinq solutions étalons de concentrations connues.
2. MesurerG, σ ou A dans les mêmes conditions pour chaque étalon.
3. Tracerla grandeur mesurée en fonction de la concentration et modéliser.
4. Exploiterla mesure de l'inconnue pour déterminer sa concentration.

Ce qu'il faut écrire dans une copie

  • La solution inconnue doit être mesurée dans les mêmes conditions que les étalons.
  • La concentration cherchée doit être comprise dans l'intervalle des concentrations de la gamme.
  • Si la valeur est hors gamme, on ne doit pas extrapoler sans justification.
  • Si la mesure est trop grande, on peut diluer l'échantillon puis tenir compte du facteur de dilution.
Domaine de validitéLe cours rappelle que la proportionnalité n'est valable que pour des solutions faiblement concentrées et à température donnée. Une mesure hors de la gamme d'étalonnage n'est pas fiable.
Lecture d'une droite d'étalonnage

Si la régression donne A = 1,5×104 c et si l'on mesure A = 0,60 :

c = A/k = 0,60/(1,5×104) = 4,0×10-5 mol·L-1

6. Les trois méthodes à ne pas confondre

MéthodeGrandeur exploitéeCe qu'elle permetRelation cléPiège fréquent
ConductimétrieG ou σdéterminer une concentration ioniqueσ = Σ λi[Xi][Xi] doit être en mol·m-3
UV-visibleAbsorbance Adéterminer la concentration d'une espèce coloréeA = εlc ou A = kcrespecter λ, la cuve et le domaine linéaire
IRTransmittance Tidentifier des liaisons / groupes caractéristiquesν̄ = 1/λc'est surtout une analyse qualitative

7. Raisonnements typiques du Bac

« Justifier qu'une dilution est nécessaire »

Comparer la mesure ou la concentration attendue au domaine d'étalonnage. Si elle est hors intervalle, annoncer qu'une dilution est nécessaire pour revenir dans le domaine de validité.

« Identifier une espèce avec un spectre IR »

Repérer les bandes caractéristiques, citer les liaisons correspondantes, exploiter aussi les bandes absentes, puis conclure en cohérence avec le contexte chimique.

« Déterminer une concentration par conductimétrie »

Écrire Kohlrausch, remplacer les concentrations ioniques par les expressions stœchiométriques, convertir en mol·m-3, puis isoler c.

« Exploiter une droite d'étalonnage »

Utiliser l'équation de la droite ou une lecture graphique, puis vérifier que le point inconnu se trouve à l'intérieur de la gamme des étalons.

8. Erreurs fréquentes qui font perdre des points

Calculs et unités
  • Utiliser mol·L-1 dans Kohlrausch au lieu de mol·m-3.
  • Oublier le facteur de dilution.
  • Confondre G (conductance) et σ (conductivité).
  • Donner un résultat sans unité ou avec trop de chiffres significatifs.
Interprétation
  • Extrapoler une droite d'étalonnage hors de la gamme.
  • Oublier que l'IR sert surtout à identifier des groupes.
  • Confondre couleur absorbée et couleur perçue.
  • Conclure à partir d'une seule petite bande IR sans vérifier les autres indices.

9. L'essentiel à mémoriser la veille de l'épreuve

10. Auto-vérification express

Pourquoi la conductivité est-elle plus utile que la conductance pour comparer deux solutions ?

Parce que la conductivité caractérise la solution indépendamment de la géométrie de la cellule de mesure.

Quelle unité doit avoir une concentration dans la loi de Kohlrausch ?

mol·m-3.

À quoi sert λmax en spectrophotométrie ?

À choisir une longueur d'onde où l'absorption est forte, donc où la mesure est plus sensible.

Que faire si l'absorbance d'un échantillon est hors de la gamme d'étalonnage ?

Ne pas extrapoler ; diluer l'échantillon si la valeur est trop grande, puis tenir compte du facteur de dilution.

Que signifie une bande fine et intense vers 1715 cm⁻¹ ?

Elle indique la présence probable d'une liaison C=O.