Loi de la bière

Absorbance et fluorescence

Lorsque la lumière frappe une substance, elle est soit absorbée, soit transmise, soit réfléchie. En règle générale, une substance interagit avec une gamme de longueurs d’onde de la lumière, chacune interagissant différemment avec les molécules ou les atomes. Une substance peut absorber une gamme spécifique de longueurs d’onde, réfléchir une autre gamme de longueurs d’onde et transmettre les autres longueurs d’onde de la lumière.

Lorsqu’une molécule absorbe de la lumière, l’énergie est utilisée de quatre manières différentes : (1) la traduction, qui amène la molécule à modifier sa vitesse moléculaire ; (2) les vibrations, qui font changer rapidement la distance entre les molécules ; (3) la rotation, qui fait tourner les atomes autour des liaisons d’une molécule ; et (4) l’excitation des électrons, qui provoque la transition des électrons vers des niveaux d’énergie plus élevés.

Niveaux d’énergie

En 1913, Niels Bohr a proposé un modèle pour l’atome d’hydrogène dans lequel les électrons se déplacent autour du noyau sur des orbites fixes et circulaires, appelées états stationnaires. L’énergie associée à chaque orbite, ou état stationnaire, n’existe qu’à des énergies fixes et discrètes. Ce n’est que lorsqu’un électron se déplace vers une autre orbite que de l’énergie est absorbée ou émise. L’électron n’est jamais entre deux états. Ce changement ne se produit que si l’énergie absorbée ou émise est égale à la différence entre les deux états d’énergie.

Dans le modèle de Bohr, le nombre quantique n représente l’énergie de l’électron. Lorsqu’un électron occupe l’état d’énergie le plus bas possible, on dit qu’il occupe l’état fondamental, qui est n = 1. Lorsqu’un électron absorbe un photon, dont l’énergie est égale à la différence entre le premier et le deuxième état, l’électron devient excité et passe de l’état fondamental à l’état excité, où n = 2. Si l’énergie du photon est égale à la différence entre le premier et le troisième état, l’électron passe au troisième état, ou n = 3, et ainsi de suite.

Les électrons peuvent revenir spontanément à l’état fondamental ou à tout autre état inférieur et excité. Lorsque cela se produit, l’énergie excédentaire obtenue grâce à l’excitation est libérée sous la forme d’un photon émis. L’énergie du photon est égale à la différence entre les deux états d’énergie et correspond à différentes longueurs d’onde de la lumière.

Spectres d’absorption et d’émission

Bien que la plupart des substances absorbent ou émettent le maximum de lumière à une longueur d’onde, elles ont également tendance à absorber ou à émettre de la lumière dans une gamme de longueurs d’onde. Cette gamme de longueurs d’onde s’appelle un spectre. L’énergie de la lumière absorbée est quantifiée et visualisée à l’aide d’un spectre d’absorption, tandis que l’énergie de la lumière émise est quantifiée et visualisée à l’aide d’un spectre d’émission.

Les spectres d’absorption et d’émission sont mesurés à l’aide d’un spectrophotomètre, qui est un appareil qui transmet la lumière à travers un échantillon, puis mesure à la fois la longueur d’onde et l’intensité de la lumière qui le traverse. À l’intérieur du spectrophotomètre se trouve soit un réseau de diffraction, soit un prisme, qui sépare la lumière entrante dans les longueurs d’onde de ses composantes. Les différentes longueurs d’onde sont ensuite transmises à travers l’échantillon, et l’intensité est enregistrée sur un détecteur CCD (dispositif à couplage de charge linéaire). Le CCD est un circuit intégré gravé sur une surface en silicium qui forme des éléments sensibles à la lumière appelés pixels. Le CCD collecte et trie la lumière diffractée et la relit à une longueur d’onde d’absorption.

Lors de la mesure de l’absorbance d’un échantillon, le soluté est généralement dissous dans un solvant et placé dans un récipient appelé cuvette. Ensuite, l’échantillon est placé à l’intérieur du spectrophotomètre, et l’intensité de la lumière transmise est mesurée en même temps que les longueurs d’onde de la lumière pour obtenir un spectre d’absorbance. Comme prévu, l’intensité de la lumière transmise est plus faible que lorsqu’il n’y a pas d’échantillon présent à l’intérieur du spectrophotomètre.

En effet, la lumière transmise est absorbée par l’échantillon, la cuvette et le solvant. Avant de mesurer des échantillons, le spectrophotomètre doit être étalonné à l’aide d’un « blanc ». Une ébauche est une cuvette qui ne contient que le solvant utilisé pour dissoudre le soluté. Le spectrophotomètre est étalonné de manière à ce que l’absorbance totale due à la cuvette et au solvant soit soustraite de l’absorbance mesurée de l’échantillon. Cela nous permet d’enregistrer l’absorbance qui n’est attribuée qu’à l’espèce d’intérêt.

L’absorbance est souvent mesurée à une longueur d’onde, la longueur d’onde d’absorbance maximale. Cependant, l’absorption peut également être mesurée à une gamme de longueurs d’onde pour acquérir le spectre d’absorption. Pour cela, l’échantillon est exposé à une gamme de longueurs d’onde de lumière incidente, et l’absorption est enregistrée à chaque longueur d’onde. Si l’échantillon émet de la lumière, le spectre d’émission est mesuré de la même manière, sauf que la longueur d’onde incidente est fixée à la longueur d’onde de l’absorbance maximale. L’instrument mesure ensuite l’intensité de la lumière émise sur une gamme de longueurs d’onde.

Loi Beer-Lambert

L’absorbance d’un échantillon à la longueur d’onde de l’absorbance maximale fournit des informations sur l’échantillon, à savoir sa concentration. La loi de Beer-Lambert est une équation qui relie la transmittance à la concentration de l’échantillon. La transmittance, ou intensité de la lumière transmise, est la fraction de la lumière d’origine qui traverse l’échantillon, I, divisée par l’intensité de la lumière incidente, I₀.

Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Chimie et réactivité chimique. Belmont, Californie : Brooks/Cole, Cengage Learning.