TP virtuel sur la loi de Beer-Lambert : absorbance

Ce TP virtuel sur la loi de Beer-Lambert correspond au TP de spectrophotométrie d'AP Chemistry sur l'effet de la concentration d'une solution colorée sur la lumière qu'elle transmet. Les élèves envoient de la lumière à travers une cuve de sulfate de cuivre(II), notent l'absorbance et la transmittance en pourcentage pour cinq concentrations, et tracent une droite d'étalonnage. Ils utilisent la droite pour trouver la concentration d'un échantillon à partir de son absorbance, puis testent l'effet du trajet optique et de la longueur d'onde. Une séance donne une droite passant par l'origine, un coefficient directeur égal à εb, et une raison claire pour laquelle les chimistes mesurent à la longueur d'onde d'absorbance maximale.

Liens avec les programmes

• AP Chemistry Unit 3, Topic 3.13 Beer–Lambert law (SAP-8.C) : l'absorbance d'une solution dépend de sa concentration, du trajet optique et du coefficient d'absorption molaire. Il correspond aussi au TP d'investigation guidée d'AP Chemistry sur la concentration et la lumière transmise, et prépare au TP de colorimétrie qui détermine la teneur en cuivre d'un laiton.
• Autres programmes : la même méthode de courbe d'étalonnage est utilisée dans les TP de colorimétrie d'IB Chemistry et d'A-level.

Simulic n'est pas affilié au College Board ni à AQA, et n'est pas approuvé par eux.

Avant le TP (5 min)

Demandez aux élèves de s'engager sur une prédiction, sur papier ou comme question 1 du lien de classe :

« Vous doublez la concentration du sulfate de cuivre(II) dans la cuve. La cuve et la longueur d'onde restent les mêmes. Que devient l'absorbance ? »

Attendez-vous à un partage entre « elle double », « elle est divisée par deux » (confusion entre absorbance et transmittance) et « elle monte un peu, puis se stabilise ».

Protocole dans la simulation

1. Ouvrez l'onglet Loi de Beer. Choisissez Sulfate de cuivre(II) (CuSO₄).
2. Réglez le Trajet optique b sur 1,0 cm et appuyez sur λ optimale (635 nm). Appuyez sur Allumer.
3. Réglez la Concentration c sur 0,10 mol/L. Notez A, puis appuyez sur Afficher %T et notez %T. Appuyez sur Enregistrer pour ajouter le point au graphique.
4. Recommencez pour 0,20 ; 0,30 ; 0,40 et 0,50 mol/L.
5. Tracez A en fonction de c, tracez la droite d'ajustement et calculez son coefficient directeur.
6. Test du trajet optique : à 0,20 mol/L, réglez b sur 0,5 cm puis sur 2,0 cm. Déplacer le curseur du trajet optique ou de la longueur d'onde efface le graphique : notez donc les mesures dans le tableau.
7. Test de la longueur d'onde : de retour à b = 1,0 cm et 0,20 mol/L, réglez λ sur 450, 500, 550, 600 et 700 nm.

c (mol/L)	0,10	0,20	0,30	0,40	0,50
A (b = 1,0 cm, 635 nm)
%T

Résultats attendus

Toutes les mesures viennent de la simulation. Ses coefficients d'absorption sont des valeurs pédagogiques : ne les comparez pas avec des tables de données.

c (mol/L)	0,10	0,20	0,30	0,40	0,50
A	0,300	0,600	0,900	1,200	1,500
%T	50,12	25,12	12,59	6,31	3,16

• A en fonction de c est une droite passant par l'origine, de coefficient directeur 3,00 L/mol. Comme A = εbc et b = 1,0 cm, ε = 3,00 L mol⁻¹ cm⁻¹.
• %T en fonction de c est une courbe, pas une droite : chaque 0,10 mol/L supplémentaire divise par deux la lumière qui traverse.
• Trajet optique à 0,20 mol/L : 0,5 cm donne A = 0,300 ; 1,0 cm donne 0,600 ; 2,0 cm donne 1,200. A est proportionnelle à b.
• Longueur d'onde à 0,20 mol/L : 450 nm donne 0,073 ; 500 nm 0,195 ; 550 nm 0,384 ; 600 nm 0,556 ; 635 nm 0,600 ; 700 nm 0,462. Le maximum est à 635 nm, dans l'orange-rouge : la solution absorbe la lumière orange-rouge et paraît bleue.
• Lire un échantillon : une absorbance de 0,840 sur la droite d'étalonnage donne c = 0,840 ÷ 3,00 = 0,280 mol/L. Les élèves peuvent vérifier en réglant c sur 0,280 mol/L.

Questions pour les élèves

1. (Prédiction, reposée après le TP) Si vous doublez la concentration, que devient l'absorbance ?
2. Quels réglages doivent rester identiques pendant que vous construisez la droite d'étalonnage ?
3. Quel est le coefficient directeur de votre droite A en fonction de c à b = 1,0 cm et 635 nm ?
4. Un échantillon donne A = 0,840 avec les mêmes réglages. Quelle est sa concentration ?
5. Pourquoi les chimistes mesurent-ils à la longueur d'onde d'absorbance maximale ?

Réponses pour l'enseignant : (1) Elle double : 0,300 à 0,10 mol/L, 0,600 à 0,20 mol/L. (2) Le trajet optique et la longueur d'onde (et la solution). (3) 3,00 L/mol (accepter 2,95–3,05). (4) 0,280 mol/L (accepter 0,275–0,285). (5) C'est là que la droite est la plus pentue : chaque variation de concentration donne la plus grande variation de A. La méthode est la plus sensible, et une petite erreur de lecture sur A entraîne la plus petite erreur sur c.

Idées fausses fréquentes

• « L'absorbance et la transmittance sont opposées, donc ce sont toutes deux des droites. » Seule A est proportionnelle à c. %T suit une courbe : c'est pourquoi les spectrophotomètres donnent A pour l'étalonnage.
• « N'importe quelle longueur d'onde convient. » À 450 nm, la droite est environ huit fois moins pentue qu'à 635 nm : les mesures ont donc des erreurs relatives bien plus grandes.
• « Une couleur plus foncée signifie une autre substance. » Ici, un bleu plus profond signifie simplement une concentration plus élevée ou un trajet plus long.

Prolongement

• Défi de l'échantillon inconnu : la simulation n'a pas de mode échantillon caché, alors jouez-le en binômes. Un élève règle une concentration et ne lit à voix haute que A, pendant que son partenaire ne regarde ni le curseur ni la ligne d'affichage. Le partenaire utilise la droite d'étalonnage pour trouver c, puis vérifie.
• Comparer des solutions : passez au permanganate de potassium (λ optimale 525 nm). Son curseur de concentration s'arrête à 0,00080 mol/L, des centaines de fois moins que pour le sulfate de cuivre, et pourtant les absorbances sont du même ordre. Demandez ce que cela dit de ε.

Questions fréquentes

Les élèves doivent-ils faire le zéro de l'appareil avec un blanc ?

Pas dans la simulation : c = 0 donne toujours A = 0,000. Au laboratoire, une cuve d'eau sert à faire le zéro. Mentionnez-le pour que les élèves comprennent pourquoi la droite passe par l'origine.

La droite s'incurve-t-elle à forte concentration ?

Non. La simulation suit la loi de Beer-Lambert idéale sur toute sa plage. Les vraies solutions peuvent s'en écarter à forte absorbance : les laboratoires gardent donc les étalons en dessous d'environ A = 1.

Les élèves peuvent-ils doser le cuivre d'un laiton avec cette simulation ?

Ils peuvent s'entraîner à l'étape de la courbe d'étalonnage. La dissolution de l'échantillon de laiton et le calcul du pourcentage massique ne sont pas dans la simulation.

Simulations et guides associés

Préparer une solution – concentration en pourcentage, concentration molaire et dilution Molarité – moles, volume et concentration

Pour d'autres activités de chimie, voir idées de leçons de chimie interactives. Pour vous aider à formuler les questions, voir rédiger de bonnes questions pour les laboratoires virtuels.