Carnet de bac

On se propose d’étudier dans cet exercice une des méthodes permettant de déterminer la concentration en dioxyde de soufre dans l’air : la fluorescence ultraviolet (UV).

Dans l’air ambiant, les molécules de dioxyde de soufre SO₂ sont dans un état d’énergie « fondamental » stable E₀. L’air ambiant est aspiré par un analyseur, filtré pour éliminer les éléments « parasites » pour la mesure, puis envoyé dans une chambre de réaction dans laquelle il est soumis à un rayonnement ultraviolet dont la longueur d’onde est λ₁ = 214 nm et provenant d’une lampe à vapeur de zinc (figure 1). Les molécules de dioxyde de soufre de l’air sont ainsi portées dans un état d’énergie E₁. Cet état étant instable, le dioxyde de soufre de l’air se désexcite alors très rapidement et arrive dans un état d’énergie E₂ différent de E₀ en émettant un rayonnement UV de longueur d’onde λ₂ supérieure à celle du rayonnement d’excitation. Le rayonnement UV est reçu par un photomultiplicateur qui donne alors une tension de sortie U_S proportionnelle à la concentration en dioxyde de soufre présent dans la chambre de réaction.

• h=6,63×10-34J·s ;
• c=3,00·10⁸m·s^-1 ;
• 1eV=1,60·10^-19J ;
• 1ppbv (partie par milliard en volume) = 2,66μg·m^-3 pour le dioxyde de soufre.

1. Comment appelle-t-on l’état d’énergie E₁ de la molécule de dioxyde de soufre ? En vous aidant du texte, placer sur le diagramme les états d’énergie E₀, E₁ et E₂, en justifiant la démarche.

2. La transition entre les états d’énergie E₀ et E₁ correspond-elle à une émission ou une absorption de lumière ? Représenter sur le diagramme cette transition par une flèche notée 1 et donner l’expression littérale de l’énergie ΔE₁ correspondant à la transition en fonction des données. La calculer en eV.

3. Au cours de la transition entre les états d’énergie E₁ et E₂, les molécules échangent avec l’extérieur une quantité d’énergie ΔE₂ = 3,65 eV. Représenter sur le diagramme cette transition par une flèche notée 2. Déterminer, en nm, la longueur d’onde de la radiation émise λ₂. Cette radiation est-elle bien dans le domaine de l’ultraviolet ? Justifier la réponse.

4. L’appareil est étalonné à l’aide d’un échantillon de concentration en dioxyde de soufre de 100 ppbv (partie par milliard en volume). La tension à la sortie du photomultiplicateur est U₀ = 0,50 V. On effectue une mesure pour l’air d’une grande agglomération, on trouve U₁ = 0,15 V. Déterminer la concentration [SO₂]₁ en dioxyde de soufre pour l’air de la grande agglomération en ppbv.

5. La limite admise pour une personne étant de 50 µg·m^-3 de gaz, l’air de la grande agglomération est-il respirable sans danger ?