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Introduction :
Ce cours porte sur la spectroscopie UV et IR.
Dans un premier temps, nous verrons de nouvelles fonctions chimiques et leurs nomenclatures. Puis, nous étudierons la spectroscopie UV-visible. Enfin, nous étudierons la spectroscopie IR.
Familles en chimie organique
Tout d’abord voici un rappel sur les formules brutes des alcanes et des alcènes et leurs nomenclatures :
Alcanes non cycliques :
Les alcanes non cycliques ont pour formule brute CH, il n’ont que des liaisons simples.
Leur nomenclature est à la base de celle de toutes les autres familles, elle se compose du suffixe –ane et d’un préfixe lié au nombre d’atomes de carbone présents dans la chaine carbonée, comme on peut le voir sur ce tableau :
N° | Alcane | Formule brute | Groupe alkyle correspondant | Nom du groupe alkyle |
1 | Méth-ane | Méth-yle | ||
2 | Eth-ane | Eth-yle | ||
3 | Prop-ane | Prop-yle | ||
4 | But-ane | But-yle | ||
5 | Pent-ane | Pent-yle | ||
6 | Hex-ane | Hex-yle | ||
7 | Hept-ane | Hept-hyle | ||
8 | Oct-ane | Oct-yle | ||
9 | Non-ane | Non-yle | ||
10 | Déc-ane | Dec-yle |
Lorsqu’on retire un atome d’hydrogène à un alcane, on obtient un radical alkyle qui sera utile pour la nomenclature des alcanes ramifiés, c’est-à-dire non linéaire :
Pour nommer un alcane il faut :
Pour l’ordre alphabétique, on ne tient pas compte de di-, tri- ou tétra-, placés avant le nom de l’alkyle si celui-ci est contenu plusieurs fois dans la molécule.
Numérotation d’une chaîne carbonée
Alcènes :
Les alcènes comportent une double liaison carbone-carbone et ont pour formule brute .
Pour nommer les alcènes, il faut :
3,4-diméthylhept-3-ène :
Groupe d’atomes caractéristique :
En chimie organique, un groupe d’atomes caractéristique est un groupe d’atomes qui définit une fonction qui donne à cette famille de molécules certaines propriétés chimiques caractéristiques.
Spectroscopie UV visible
Principe
Spectrophotomètre :
Le spectrophotomètre est un appareil de mesure. Il fait passer une radiation monochromatique à travers une cuve de longueur transparente aux radiations et qui contient la solution à analyser diluée dans un solvant.
Pour les spectrophotomètres usuels, dits « UV-visible » la radiation est comprise entre et . Les UV dits « proches » sont compris entre et , quant au spectre visible il est compris dans la fourchette .
Le solvant est lui aussi transparent aux radiations. (un matériau transparent aux radiations veut dire qu’il ne les absorbe pas).
On mesure ainsi l’absorbance, notée .
Dispositif permettant de mesurer l’absorbance d’un échantillon
L’absorbance d’un échantillon reflète le rapport de l’intensité de la radiation incidente sur la radiation transmise .
Ainsi, .
C’est une grandeur sans unité, on peut se rappeler de la loi de Beer-Lambert, qui s’exprime ainsi :
avec :
Absorption d’énergie dans l’UV-visible :
L’absorption d’énergie dans l’UV-visible est en fait une transition électronique, c’est-à-dire le passage d’un électron d’un niveau d’énergie plus faible à un niveau plus élevé.
Spectre d’absorption et couleur
On peut obtenir ainsi un spectre d’absorption.
Spectre d’absorption :
Le spectre d’absorption est le tracé de l’absorbance en fonction de la longueur d’onde . On caractérise une espèce par son maximum d’absorption .
La couleur perçue de la solution est la couleur complémentaire de la couleur correspondant au maximum d’absorption, si celui-ci est dans le visible.
Longueurs d’ondes du spectre de la lumière visible
Les longueurs d’ondes ne sont pas à connaître par cœur.
Par exemple, le sulfate de cuivre absorbe le rouge, et apparaît cyan :
Solution de sulfate de cuivre
Chromophores
Chromophore :
Un chromophore est un groupe d’atomes responsable d’absorptions caractéristiques. La combinaison de tous ces chromophores au sein d’une molécule caractérisera le maximum d’absorption de celle-ci.
Parmi les chromophores on peut citer les atomes à doublet non-liant, comme les halogènes, l’oxygène, ou encore l’azote, parmi d’autres. On peut aussi citer les doubles liaisons, plus particulièrement lorsqu’elles sont conjuguées, c’est-à-dire lorsqu’il y a un enchaînement liaison double, liaison simple, liaison double :
Spectroscopie IR
Principe
Les atomes liés dans une molécule chimique ne sont pas immobiles les uns par rapport aux autres. Ils vibrent autour d’une position moyenne. Ces vibrations peuvent être de deux types :
Élongation longitudinale d’une molécule
Déformation angulaire d’une molécule
Si l’on envoie des photons infrarouges sur les molécules, celles-ci vont absorber les photons correspondants aux niveaux d’énergie vibratoire.
Spectre Infrarouge
Par convention, on utilise l’inverse de la longueur d’onde : le nombre d’onde (qui se prononce nu barre) :
en , en . Sur un spectre IR va de à .
Spectre infrarouge :
Un spectre infrarouge est une courbe représentant la transmittance en fonction du nombre d’onde .
En ordonnée, la transmittance est le pourcentage d’intensité de lumière transmise par l’échantillon. Une transmittance de 100 % signifie que toute la lumière est transmise. Une transmittance de 0 % signifie qu’aucune lumière n’est transmise, et que toute la lumière est absorbée. Un pic correspond à un maximum d’absorption.
En abscisse, le nombre d’onde est l’inverse de la longueur d’onde, généralement exprimé en . Cet axe est orienté de droite à gauche.
Prenons l’exemple du spectre infrarouge de l’éthanol :
Spectre infrarouge de l’éthanol
Bandes caractéristiques
Certains groupes d’atomes donnent des bandes caractéristiques, d’allure tout aussi caractéristique. C’est-à-dire que leur intensité, leur forme et leur nombre d’onde sont spécifiques.
Au dessus de , la spectroscopie renseigne sur les groupes d’atomes caractéristiques d’une molécule.
En dessous de , la zone dite des empreintes digitales est plus difficilement exploitable et permet de comparer les molécules une à une. Elle est très peu utilisée dans la pratique.
Voici une table des bandes caractéristiques (elle n’est pas à retenir) :
Liaison | Nombre d'onde | Intensité : F : Forte, M : Moyenne | Largeur |
O-Hlibre | 3580 – 3650 | M à F | Fine |
O-Hlié | 3200 – 3400 | F | Large |
N-Hlibre | 3300 – 3500 | Faible à M | Fine |
N-Hlié | 3100 – 3300 | F | Large |
Ctri-H | 3000 – 3100 | M | Large |
Ctri-Harom | 3030 – 3080 | M | |
Ctét-H | 2800 – 3000 | F | |
Ctri-Haldéhyde | 2750 – 2900 | M | |
O-Hacide carb. | 2500-3200 | F | Large |
C=Oester | 1700-1740 | F | |
C=Oaldéh. cétone | 1650-1730 | F | |
C=Oacide | 1680-1710 | F | |
C=C | 1625-1685 | M | |
C=Carom | 1450-1600 | M | |
Ctet-H | 1415-1470 | F | |
Ctet-O | 1050-1450 | F | |
Ctet-Ctet | 1000-1250 | Faible |
On peut voir sur le spectre de l’éthanol vu au-dessus qu’il y a une large bande vers qui correspond au OH, et vers des bandes fines caractéristiques des liaisons C-H.
On peut voir que dans la table pour le NH et OH, il y a deux possibilités : liés ou libres.
En effet, l’allure d’un spectre est modifiée par la présence de liaison hydrogène.
Voici à titre de comparaison le spectre de l’éthanol gazeux c’est-à-dire libre.
Spectre infrarouge de l’éthanol libre