TP4 Les spectres d’absorptionLes spectres d’absorption

ObjectifsObjectifs de la séance :de la séance :

- Réaliser, observer et représenter des spectres d'absorption ;- Interpréter un spectre d’absorption.

1.1. Les spectres de flammeLes spectres de flamme

Vers le milieu du XIXe siècle, le physicien allemand G.R. Kirchhoff (ci-contre) remarqua que lorsque la lumière émise par un corps très chaud traverse une flamme une flamme contenant du sodium, elle présente des raies noires aux mêmes longueurs d’onde que les raies d’émission brillante de la flamme seule.

Protocole expérimentale :

Réalisez le montage expérimental ci-dessous :

Expérience n°1 : spectre de l’élément sodiumTrempez l’extrémité d’une tige métallique dans une solution de chlorure de sodium et placez-la au-dessus de la flamme d’un bec bunsen. Observez la couleur du spectre de la lumière émise.

Expérience n°2 : spectre de l’élément potassiumTrempez l’extrémité d’une tige métallique dans une solution de chlorure de potassium et la placer au-dessus de la flamme d’un bec bunsen. Observez la couleur du spectre de la lumière émise.

Expérience n°3 : spectre de l’élément cuivreTrempez l’extrémité d’une tige métallique dans une solution de sulfate de cuivre et la placer au-dessus de la flamme d’un bec bunsen. Observez la couleur du spectre de la lumière émise.

Expérience n°4 : spectre de l’élément cobaltTrempez l’extrémité d’une tige métallique dans une solution de chlorure de cobalt et la placer au-dessus de la flamme d’un bec bunsen. Observez la couleur du spectre de la lumière émise.

Lorsque la lumière blanche traverse un gaz sous faible pression, des radiations lumineuses sont absorbées par ce gaz. Le spectre de la lumière transmise comporte donc un fond coloré (spectre de la lumière blanche incidente) sur lequel on trouve des raies noires (radiations absorbées par les entités chimiques du gaz). Ce type de spectre est appelé spectre d’absorption.

Complétez le tableau suivant :

Élément chimique Sodium Potassium Cuivre CobaltFormule chimique de la solutionCouleur prise par la flamme

Représentez, ci-dessous, le spectre obtenu avec le sodium :

Q1.Q1. Les spectres observés sont qualifiés de « spectres de raies d’absorption ». Proposez une explication.Q2.Q2. En généralisant le résultat obtenu pour le sodium, indiquez comment déduire le spectre d’absorption d’une entité chimique de son spectre d’émission ? Vérifiez votre proposition en ouvrant l’animation « Les spectres ».Q3.Q3. Le spectre d’absorption d’un gaz peut-il permettre l’identification des entités chimiques qu’il contient ?

2.2. Les spectres de bandes d’absorptionLes spectres de bandes d’absorption

Une espèce chimique en solution, éclairée par de la lumière blanche, est susceptible d'absorber, au moins en partie, l'énergie correspondant à certaines radiations. La lumière transmise ne sera plus blanche mais colorée.

Protocole expérimentale :

Réalisez le montage expérimental ci-dessous :

Solution colorée contenant l’espèce chimique à étudier

Lanterne(Lumière blanche)

Questions

On réalise le même montage que précédemment en plaçant entre la lentille et le prisme (ou le réseau), à la place de la flamme, une cuve contenant des solutions colorées.

Expérience n°1 : le permanganate de potassium

Versez dans la cuve une solution de permanganate de potassium et observez le spectre obtenu sur l’écran. Représentez le spectre obtenu ci-dessous :

Q4.Q4. Quelles sont les radiations (couleurs) absorbées (par rapport au spectre de la lumière blanche) ?Q5.Q5. Quelles sont les couleurs transmises ?Q6.Q6. Quelle est la couleur de la solution ?

Expérience n°2 : le sulfate de cuivre

Versez dans la cuve une solution de sulfate de cuivre et observez le spectre obtenu sur l’écran. Représentez le spectre obtenu :

Questions

Questions

Q7.Q7. Quelles sont les radiations (couleurs) absorbées (par rapport au spectre de la lumière blanche) ?Q8.Q8. Quelles sont les couleurs transmises ?Q9.Q9. Quelle est la couleur de la solution ?

Expérience n°3 : le chlorure de cobalt

Versez dans la cuve une solution de chlorure de cobalt et observez le spectre obtenu sur l’écran. Représentez le spectre obtenu :

Questions

Q10.Q10. Quelles sont les radiations (couleurs) absorbées (par rapport au spectre de la lumière blanche) ?Q11.Q11. Quelles sont les couleurs transmises ?Q12.Q12. Quelle est la couleur de la solution ?

3.3. Le spectrophotomètreLe spectrophotomètre

Effectuez une mesure d’absorbance de la solution de permanganate de potassium pour l’ensemble des longueurs d’onde de la lumière blanche.

Questions

Principe de fonctionnement :

Schéma de principe du spectrophotomètre UV-visible monofaisceau

Le spectrophotomètre fait passer une radiation (lumière) monochromatique (une seule longueur d'onde) à travers une cuve (de longueur ℓ), contenant la solution à analyser, et mesure l'absorbance A (grandeur liée à la quantité de lumière absorbée par la solution). On peut ainsi mesurer l’absorbance d’une solution pour une ou plusieurs longueurs d’onde.

Q13.Q13. Commentez l’allure de la courbe d’absorbance de la solution.Q14.Q14. En déduire la longueur d’onde max correspondant à l’absorbance maximale de la solution de permanganate de potassium ?

4.4. Analyse spectraleAnalyse spectrale

Le Soleil

Comment identifier les entités chimiques de l’atmosphère d’une étoile ?

Ouvrir l’animation « Spectre d'une étoile »

Les atomes d’hydrogène (H) présentent des raies caractéristiques d’émission (voir animation) aux longueurs d’onde suivante :

656,3 nm ; 486,1 nm ; 434,2 nm

Les atomes de mercure (Hg) présentent des raies caractéristiques d’émission (voir animation) aux longueurs d’onde suivante :

405 nm ; 436 nm ; 546 nm ; 577 nm ; 579 nm ; 615 nm

Pointez, avec le télescope, chacune des étoiles (A, B et C) et répondez aux questions suivantes :

Questions

Q15.Q15. Y a-t-il des raies présentes aux longueurs d’onde de l’hydrogène dans le spectre de chacune des étoiles ?Q16.Q16. Même question pour le mercure.Q17.Q17. En déduire la composition de chacune des étoiles.Q18.Q18. Proposez une réponse à la question posée ?

5.5. ConclusionConclusion

En vous aidant des expériences réalisées dans cette activité, proposez une explication à la couleur d’une solution.Quel est le lien entre le spectre d’émission d’un élément chimique et son spectre d’absorption ?

CORRECTIONCORRECTION1. Les spectres de flammeLes spectres de flamme (Spectre de raies d’absorption)

Élément chimique Sodium Potassium Cuivre CobaltFormule chimique de la solution Na+ + Cℓ K+ + Cℓ Cu2+ + SO4

2 Co+ + Cℓ

Couleur prise par la flamme Jaune orangé Lilas Verte

Spectre de raie d’absorption du sodium

Spectre de raie d’émission du sodium

Q1.Q1. La flamme est éclairée par de la lumière blanche dont le spectre contient toutes les longueurs d’onde. À la sortie de la flamme, il manque la raie jaune du sodium. La radiation correspondante a été absorbée par le sodium contenu dans la flamme.Q2.Q2. Les raies du spectre d’absorption ont les mêmes longueurs d’onde que les raies du spectre d’émission.Q3.Q3. Comme le spectre d’émission, le spectre d’absorption permet d’identifier une entité chimique.

2. Les spectres de bandes d’absorptionLes spectres de bandes d’absorption

Expérience n°1 : le permanganate de potassium

Q4.Q4. Son spectre présente une large bande noire d'absorption dans l'orange, le jaune et le vert.Q5.Q5. Les couleurs transmises sont le rouge et le bleu qui par superposition donne la sensation de magenta.Q6.Q6. La solution est de couleur magenta.

La solution de permanganate de potassium absorbe une partie du spectre de la lumière blanche :

Son spectre présente une large bande noire d'absorption dans l'orange, le jaune et le vert.

Expérience n°2 : le sulfate de cuivre

Q7.Q7. Son spectre présente une large bande noire d'absorption dans.Q8.Q8. Les couleurs transmises sont.Q9.Q9. La solution est de couleur bleue cyan.

Expérience n°3 : le chlorure de cobalt

Q10.Q10. Son spectre présente une large bande noire d'absorption dans.Q11.Q11. Les couleurs transmises sont.Q12.Q12. La solution est de couleur bleue cyan.

En résumé :

FICHE TPFICHE TPExpérience pour réaliser le spectre d’absorption du sodium :

Source de l’activitéSource de l’activité

Activité n°4 p259 (BELIN 2nd, Collection Parisi)