TP TS - SPECTROSCOPIE INFRAROUGE

1°)Principe :

La spectroscopie infrarouge (IR) est une technique qui permet d’analyser des solides, des liquides ou des gaz.

Dans l’industrie, elle est appliquée pour effectuer les contrôles de qualité dans l’agroalimentaire ou pour la recherche des polluants dans l’atmosphère. On l’utilise également pour identifier des espèces chimiques synthétisées au laboratoire, ou pour identifier les pigments d’une œuvre d’art.

Les molécules sous l’effet des rayons IR peuvent subir des mouvements de vibrations ; ainsi elles peuvent être le siège d’oscillations de la longueur de liaison (vibration d’élongation)

ou/et d’oscillations de l’angle de liaison (vibration de déformation).

 

Lancer le logiciel SPECAMP (Bureau bis\logiciels\specamp )

►On peut "visualiser" ces vibrations grâce au logiciel dans le bandeau supérieur

  sélectionner .
Choisir alors dans le cadre en bas à droite le type de vibration et visualiser les différentes possibilités et lire l’encadré des explications.

Les rayonnements IR peuvent provoquer ces vibrations pour peu que leurs fréquences correspondent aux fréquences de vibration de la molécule ou d’une partie de la molécule. Les rayonnements correspondant sont alors absorbés par la molécule. L’étude d’un spectre IR rend compte des radiations absorbées, ce qui permet d’analyse les groupes fonctionnels contenus dans la molécule.

2°)Différence Transmittance/ Absorbance :

▪Dans le bandeau supérieur cliquer sur l’outil A/T. Dans la partie droite de la fenêtre, cliquer sur Charger un spectre IR .

Dans la fenêtre qui s'ouvre , ouvrir le repertoire "OH" puis sélectionner "IR_1-propanol.jdx".

Si elle ne l'est pas , sur le coté droit de la fenêtre , sélectionner l'option "les deux spectres"

Q1)Quelle différence présente ces 2 spectres ?

Q2)A quoi correspondent les pics « inversés » du spectre de transmittance ?

3°)Allure d’un spectre IR :

▪Dans le bandeau supérieur cliquer sur l'outil  . Utiliser à nouveau Charger un spectre IR et  procéder comme avant pour sélectionner IR_2-butanol.jdx.

Q3) Préciser quelle est la grandeur représentée en ordonnée ? Quelle est son unité ?

Q4)Choisir dans la liste suivante, en argumentant, l’expression de la transmittance T en fonction des

intensités lumineuses I et I0 :

T = I – I0

T = I/I0

T = I0 – I

T = I0/I

Q5)Quelle est l’unité de la grandeur en abscisse ?

La grandeur associée est notée σ, appelée nombre d’onde . Elle est liée à la longueur d’onde λ.

Q6)Choisir dans la liste suivante la relation qui les unit :              σ = – λ         ou                        σ = 1/ λ

Q7)Quelle est la particularité de l’axe des abscisses ?

Q8)A l’aide de la relation choisie, montrer que les radiations utilisées correspondent à des radiations infrarouges.

4°)Bandes caractéristiques d’absorption :

Vous allez étudier différents spectres IR par comparaison et compléter le tableau suivant :

▪ Dans la barre d’outils supérieure, sélectionner Spectroscopie IR/ Comparaison de spectres IR. Cocher la case nom de la molécule dans la fenêtre option.

Cliquer sur le dossier + (fenêtre du bas) et procéder comme avant pour ouvrir les spectres IR des molécules suivantes. Déplacer le curseur pour déterminer les valeurs de σ , leur intensité et leur taille:

Molécule

Formule semi-développée

Bande caractéristiques σ

propanone

« acétone »

 

σ(C=O) = 1715 cm-1 ; fort ;fine

propanal

   

éthanoate de méthyle « méthyléthanoate »

   

propan-1-ol

   

acide propanoïque.

   

Q9)Recopiez sur votre copie le tableau ci-dessus et complétez le (prévoir des cases de plus grande taille)

5°)Etude de spectres de 2 molécules proches :

 



On donne les formules topologiques de 2 alcools :

Q10) Associer un nom aux formules topologiques indiquées par  et .

▪Dans la barre d’outils supérieure, sélectionner  Spectroscopie IR / Superposition des spectres IR. Dans cette nouvelle fenêtre, cliquer sur Charger le spectre d’arrière plan et choisir le composé  dans la liste proposée, puis cliquer sur Spectre à superposer pour choisir le composé dans la liste.

Q11)Sans tenir compte des valeurs de T(%), identifier, sur l’axe des abscisses, la zône des nombres d’onde où les spectres sont similaires et la zône où les spectres présentent plus de différences.

La zône des spectres IR due à l’enchaînement carboné est appelée "empreinte digitale".


Q12)Identifier sur le spectre la zone de l’empreinte digitale et la zone due aux autres liaisons.

Q13)Choisir la bonne formulation :

Les formules topologiques des molécules et les spectres IR associés montrent que :

-les deux molécules ont/n’ont pas la même fonction et ont/n’ont pas la même chaîne carbonée

Q14)A l'aide de la table spectroscopique IR simplifiée (données), préciser sur le spectre en déplaçant le curseur quel pic correspond à la fonction caractéristique des alcools et celui correspondant aux liaisons C –H :

σ (              ) =                                                  σ (C –H) =

Q15)Rappeler pourquoi ces deux alcools sont de classes différentes . Quelles sont ces classes ?

6°)Cas particulier des liaison O-H :

▪ Ouvrir en les superposant les spectres du butan-1-ol gaz et du butan-1-ol solution.

Q16)

a) Qu’est-ce qui est à l’origine du O‑H lié ?

b) Quelle molécule contient la liaison O‑H libre ? O‑H lié ? Justifier.

c) Quelle en est la conséquence sur le spectre de l’alcool ?

Q17)Le spectre du butan-2-ol présenté au 3°) a-t-il été obtenu en phase gazeuse ou en solution ? Argumenter.

7°)Identification d’une molécule :

On doit identifier une espèce chimique qui peut-être l’une des quatre molécules suivantes :

3-hydroxybutanone

Ethanoate d’éthyle

3-aminobutanone

Pent-4-ène-2-ol

Le document ci-après présente le spectre de l’espèce inconnue :

 Q18)A  l’aide du spectre et du tableau de données, identifier cette molécule. Rédiger un court paragraphe mettant en évidence les étapes du raisonnement.

TABLEAU DE DONNEES :

Fonction

liaison

Nombre d’onde (cm-1)

intensité

alcane

C‑H

(C tétraédrique)

2850–3000

Forte

alcène

C‑H

(C trigonal)

3010–3100

moyenne

C=C

1620–1680

variable

alcool

O‑H

libre

3500–3700

Forte ; fine

O‑H

lié

3200–3600

F ; large

aldéhyde

C=O

1650–1730

Forte

C‑H

(C trigonal)

2750–2900

moyenne ; 2 pics

cétone

C=O

1650–1730

Forte

acide carboxylique

C=O

1680–1725

Forte

O‑H

2500–3300

F à m ; large

C‑O

1210–1320

Forte

ester

C=O

1700–1740

Forte

C‑O

1000–1300

2 pics ou plus

amine

N‑H

3100–3500

m

N‑H

1560–1640

F ou m

amide

N‑H

3100–3500

F

N‑H

1560–1640

F ou m

C=O

1650–1700

 

TP TS - SPECTROSCOPIE INFRAROUGE - correction

1)Pour un spectre , c'est la transmittance en ordonnée , pour l'autre c'est l'absorbance .

2)Les pics inversés sur le spectre de transmittance correspondent aux zones pour lesquelles le rayonnement infrarouge est absorbé par la molécule .

3)C'est la transmittance qui est représentée en ordonnée . Cette grandeur est sans dimension (rapport de deux grandeurs de même nature) . Elle s'exprime en % .

4)T=I/I0

5)C'est le nombre d'onde s qui est en abscisse et celui-ci s'exprime en cm-1 .

6)s=1/l 

7)L'axe des abscisses est orienté de droite à gauche (augmentation du nombre d'onde en lisant l'axe de droite à gauche).

8)*Pour s> 600 cm-1 , cela correspond à l< 1/600 = 1,6.10-3 cm = 1,6.10-5 m = 16000 nm

*Pour s<3800 cm-1 , cela correspond à l> 2,6.10-4 cm = 2,6.10-6 m = 2600 nm

Autrement dit  16000 nm > l >2600 nm. Cet intervalle est bien compris dans la zone infraroure [800 nm-  20.103 nm ]

9)

Molécule

Formule semi-développée

Bande caractéristiques σ

propanone

« acétone »

σ(C=O) = 1715 cm-1 ; fort ;fine

σ(C-H) = 3000 cm-1 ; moyenne, large

σ(C-C) = 1220 cm-1 ;forte, fine

propanal

σ(C=O) = 1753 cm-1 ; fort ;fine

σ(C-H)aldehyde = 2715 cm-1 ; moy , fine  ;    2810 cm-1 (2 pics)

σ(Ctet-H) = 3000 cm-1 ; forte, fine

éthanoate de méthyle « méthyléthanoate »

σ(Ctet-H) =2950 cm-1 ; forte, fine

σ(C=0) = 1725 cm-1 ; forte, fine

σ(C-O) = 1030 cm-1 ; moy, fine

              1207 , 1160 cm-1 forte,fine (3 pics)

propan-1-ol

σ(O-H)  = 3350 cm-1 ; forte, large

               3640 (H  lié )

σ(Ctet-H) = 2880 cm-1 ; forte, fine

              2970 cm-1

acide propanoïque.

σ(O-H) = 2990 cm-1 ; moy,large

σ(C-O) = 1240 cm-1 ;  moy, fine

σ(C=O) = 1716 cm-1 ; forte,fine

10) 1 : butan-2-ol

2: 2-méthylbutan-2-ol

11)On trouve des similitudes dans l'intervalle [2000 - 3600 cm-1]

On trouve des différences dans l'intervalle [600 - 1500 cm-1]

12)la zone [2000 - 3600 cm-1] est due aux liaisons , la zone [600 - 1500 cm-1] correspond à l'empreinte digitale de la molécule.

13)Les deux molécules ont la même fonction et n'ont pas la même chaîne carbonée

14) * alcools s (O-H) = 3350 cm-1  ; liaisons C-H : s(C-H) = 3000 cm -1

15)Pour le butan-2-ol : le carbone fonctionnel est porteur d'un atome d'hydrogène . Il s'agit d'un alcool secondaire .

Pour le 2-méthylbutan-2-ol le carbone fonctionnel n'est pas porteur d'atome d'hydrogène . Il s'agit d'un alcool tertiaire

16) a)Le O-H est lié s'il intervient dans une liaison hydrogène

b)La molécule H2O contient des O-H liés à l'état liquide ou solide . A l'état gazeux les molécules sont suffisamment éloignées pour qu'il puisse y avoir des liaisons hydrogène .

c)Sur le spectre apparaît une absorption importante à 3300 cm-1 lorsque O-H est lié .

d)Il est clair que dans 3°) le butan-2-ol est à l'état liquide (absorption importante à 3550 cm-1)

17)Il s'agit du pent-4-ène-2-ol.

Nous observons deux raies d'absorption importantes à 3350 cm-1 et à 2950cm-1 qui sont caractéristiques de la fonction alcool en phase liquide . L'absorption à 1600 cm-1 est caractéristique de la double liaison C=C.

Le spectre infrarouge de cette molécule est représenté ci-dessous :

Il est bien identique à celui proposé sur le polycopié .