La spectroscopie infrarouge est la partie de la spectroscopie qui traite la région infrarouge du spectre électromagnétique.

Principalement utilisée afin d'identifier des composés, elle a recours à différentes techniques que nous allons voir dans cet article.

Les ondes

Pour bien comprendre comment fonctionne la spectroscopie, il est important de faire un petit rappel sur les ondes.

La longueur d’onde est une grandeur physique homogène à une longueur. Elle est caractéristique d'une onde monochromatique (c'est à dire d'une seule couleur). Dans un milieu homogène, elle définit la distance séparant deux maxima (c'est à dire, deux valeurs maximales) consécutifs de l'amplitude.

Comment se définissent les couleurs ?
Chaque longueur d'onde correspond à une couleur particulière.

Il est important de savoir que la longueur d'onde dépend de la célérité. Selon le milieu qu'elle traverse, cette dernière sera plus ou moins élevée.

Attention : la fréquence d'une onde reste inchangée lorsque l'onde passe d'un milieu à un autre dans lequel la vitesse est différente, mais sa longueur d'onde, elle, peut varier.

Cependant, lorsque l'onde n'est pas monochromatique, il est possible d'effectuer une analyse harmonique pour la décomposer en une somme d'ondes monochromatiques.

Il ne faut pas oublier que les phénomènes physiques ne sont jamais strictement périodiques : en effet, l'analyse spectrale aboutit en une somme infinie d'ondes monochromatiques. On considère alors la longueur d'onde dominante (c'est-à-dire celle qui correspond à la fréquence qui transporte le plus d'énergie) comme l'onde qui présente la fréquence centrale de la plage qui transporte le plus d'énergie.

Les longueurs d'onde sont couramment utilisées en acoustique, en radio et en optique.

Toute onde périodique (onde dont la perturbation se répète à intervalles réguliers) peut être caractérisée par une double périodicité :

  1. La périodicité temporelle, représentée par la période temporelle
  2. La périodicité spatiale, représentée par la longueur d'onde

La longueur d'onde est la distance la plus courte qui sépare deux moments identiques de la perturbation.

La longueur d'onde est habituellement notée à l'aide de la lettre grecque lambda (λ).

Dans le système usuel, on utilise souvent le nanomètre (nm) comme unité.
Dans le système international (SI), elle se note en mètre (m).

Les ondes visibles

On appelle spectre visible la partie du spectre électromagnétique de la lumière visible par l’œil humain.

On définit ce spectre pour les signaux ayant une longueur d'onde comprise entre 380 nm et 750 nm.

Quelles sont les longueurs d'ondes visibles par l’œil humain ?
Ce schéma montre la place du spectre de la lumière visible par rapport aux autres longueurs d'ondes. On y remarque bien qu'il n'occupe qu'une petite place.

La lumière est une onde électromagnétique dont la couleur dépend de la longueur d'onde. Chaque teinte et nuance est caractérisée par son propre intervalle de longueur d'onde et il peut s'avérer délicat d'établir des limites précises des différentes couleurs d'une part et du domaine des lumières visibles d'autre part.

Pour cause, il n'existe qu'une couleur possible par longueur d'onde. Les valeurs fournies varient selon les sources, les plus approximatives retiennent pour la lumière visible un intervalle allant de 400 nm à 800 nm. Les sites éducatifs de la NASA et du CNRS proposent de retenir l'intervalle [400 nm – 700 nm].

Que voient les chats ?
Si l'homme voit dans une fourchette bien particulière de longueur d'onde, d'autres animaux comme le chat voient beaucoup mieux dans le noir mais distinguent moins les couleurs que nous.
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C'est parti

La spectroscopie

Avant de pouvoir parler de spectroscopie infrarouge, il faut déjà définir la spectroscopie.

La spectroscopie se définit comme une science physique. Son but est l'analyse des spectres de différents phénomènes physiques énergétiques tels que les longueurs d'ondes ou les fréquences par exemple.

Un peu d'histoire

Au tout début, la spectroscopie a surtout été vue comme la dispersion de la lumière. C'est 1311 que l'on décrit pour la première fois la dispersion de la lumière par un dioptre.

Le premier spectre de la lumière blanche a été établi au XIXème siècle par Descartes qui décomposait tantôt la lumière du Soleil, des étoiles ou encore de la flamme d'une bougie.

Il faudra cependant attendre encore quelques années pour que Joseph von Fraunhofer, un physicien et opticien bavarois, invente le spectromètre à réseau de diffraction. Il décompose alors pour la première fois le spectre de la lumière du Soleil en détaillant les longueurs d'ondes à la place des couleurs.

C'est au cours des années 1800 que l'on commença à utiliser la spectroscopie pour reconnaître certains sels de métaux. On analysait alors pour cela les spectres d'émission de leurs étincelles. Une grande avancée sera celle amenée par Léon Foucault en 1849 avec sa démonstration que lorsque deux corps chimiques possèdent les mêmes raies d'absorption et d'émission, c'est parce qu'ils sont identiques.

Léon Foucault

Jean Bernard Léon Foucault est un physicien d'origine française, ayant vécu de 1819 à 1868. Récompensé par de nombreuses distinctions, c'est à lui que l'on doit l'invention du gyroscope. Il a aussi démontré que la Terre tourne sur elle même grâce au pendule de Foucault. Passionné d'astronomie, c'est aussi un domaine dans lequel il a beaucoup travaillé.

Le fonctionnement d'un spectromètre

Les spectromètres utilisent plusieurs techniques pour déterminer des spectres. En voici un aperçu.

Le spectromètre d'émission

Le spectromètre d'émission fonctionne en excitant les échantillons thermiquement, électriquement ou électromagnétiquement afin de regarder quels seront les rayonnements électromagnétiques émis lors de détente.

Le spectromètre de fluorescence

Le spectromètre de fluorescence ou fluorimètres sont des types de spectromètres qui analysent la fluorescence des échantillons. Ils permettent de réaliser des dosages avec une grande précision allant jusqu'au µg/L.

Le spectromètre atomique

Le spectromètre atomique est une méthode de spectroscopie qui permet d'analyser certains éléments, notamment certains métaux. Pour fonctionner, cette méthode a recours à l'atomisation : l'éclatement d'une molécule en atomes libres.

Le spectromètre moléculaire

La spectroscopie moléculaire fonctionne en identifiant les groupes fonctionnels des molécules organiques.

Elle se décline en trois grands groupes :

  • La spectroscopie électromagnétique moléculaire ;
  • La spectroscopie de résonance magnétique ;
  • La spectroscopie de masse moléculaire.

La chimie organique est l'étude en chimie de tous les composants organiques. C'est donc principalement le cas de tous les composés du carbone, qu'ils soient d'origine synthétique ou naturelle.
On retrouve dans ces molécules certains atomes récurrents comme l'hydrogène, l'oxygène et l'azote.

Le spectromètre d'absorption

Le spectromètre d'absorption utilise quand à lui une mesure de l'intensité des rayonnements électromagnétiques absorbés par l'échantillon pour déterminer la concentration ou la présence d'un élément.

Le spectromètre de masse

Le spectromètre de masse un type de spectromètre qui analyse les molécules en mesurant leur masse. Pour cela, il sépare les molécules chargées en phase gazeuse. Grâce à son efficacité et sa rapidité, il est très utilisé dans les domaines scientifiques et médicaux.

La spectroscopie infrarouge

La spectroscopie infrarouge est un type de spectroscopie qui fonctionne sur un intervalle d'ondes bien définies : celles des infrarouges. Elle fonctionne de manière simple en analysant les modes vibratoires des molécules soumises aux ondes infrarouges.

Fonctionnement

Préparation de l'échantillon

Afin d'effectuer une spectroscopie infrarouge sur un échantillon, il faut qu'il ait été un minimum préparé. Selon l'état de l'échantillon, la préparation ne sera pas la même. Si les gaz ne nécessitent qu'une mince préparation, les éléments liquide demandent quand à eux plus de travail. Plusieurs techniques sont possibles. La plupart du temps, pour une analyse d'échantillon liquide, on placera ce dernier entre deux plaques de sel pur (tel que du bromure de potassium ou encore du chlorure de sodium).
Pour un échantillon solide, on le réduit en poussière avec un agent liant puis on place un film de ce broyat entre deux plaques transparentes qui ne créeront pas de bandes d'interférence.

Analyse

Dans un spectromètre infrarouge, un rayon de lumière infrarouge est produit puis divisé en deux rayons. Tandis que l'un des deux traverse l'échantillon, le second traverse une référence. Les deux faisceaux infrarouges sont alors renvoyés vers un séparateur qui dirige les faisceaux dans un détecteur. Le détecteur analyse les deux signaux reçus et trace le spectre en comparant les deux signaux.

Applications de la spectroscopie infrarouge

La spectroscopie infrarouge est utilisé dans de multiples domaines allant de l'industrie à la recherche scientifique en passant par la médecine. C'est une technique de contrôle et de mesure très précise et efficace. Avec l'arrivé de l'informatique et la miniaturisation des appareils, la spectroscopie infrarouge peut maintenant se transporter facilement, dans les entreprises ou à l'extérieur.

Exercices pour mieux comprendre

Exercice 1 : Analyse spectrale, les spectres RMN du proton

La spectroscopie de RMN : un moyen de déterminer le squelette hydrogénocarboné d’une molécule.

Notions et contenus

Spectres RMN du proton

Identification de molécules organiques à l'aide :

  • Du déplacement chimique ;
  • De l'intégration ;
  • De la multiplicité du signal : règle des (n+1)-uplets.

La spectroscopie par Résonance Magnétique Nucléaire, ou RMN, permet d’obtenir des informations sur la structure de la chaine carbonée d’une molécule, en particulier sur les atomes d’hydrogène (appelés protons) portés par celle-ci.

Comment fonctionne la spectroscopie RMN ?
La spectroscopie par Résonance Magnétique Nucléaire ou RMN permet de définir une molécule en fonction des chaînes carbonées qu'elle contient.

Les spectres sont obtenus en soumettant un échantillon à une onde radiofréquence puis en étudiant son interaction avec un champ magnétique très intense.

Allure d’un spectre RMN :

 Information apportée
Nombre de signaux Nombre de groupes de protons H équivalents (qui ont le même environnement chimique)
Multiplicité du signal = nombre de pics dans le signal Nombre de protons H portés par les atomes de C voisins + 1 = nombre de pics
C’est la règle du (n+1)uplet
IntégrationNombre de protons H pour chaque signal (proportionnel à la hauteur du palier)
Valeur du déplacement chimiquePermet d’attribuer des groupes de H équivalents en cas
d’ambiguïté (avec une table de valeurs)

Exemple de l’étude du spectre du méthanoate d’éthyle :

Déplacement chimique Intégration Multiplicité Nombre de protons voisins
1,2 ppm3 Htriplet2
4,1 ppm2 Hquadruplet3
8,0 ppm1 Hsingulet0

Exercice 2 : L'alanine en infrarouge

L’alanine, acide aminé créé dans les cellules musculaires, a été isolée dès 1879. Actuellement, elle peut être synthétisée et utilisée dans la fabrication de produits pharmaceutiques. Les spectroscopies IR et RMN s’avèrent alors des techniques privilégiées pour analyser les produits obtenus.

A quoi sert l'alanine ?
L'alanine est un composé chimique que l'on peut trouver dans divers médicaments.

Données :

  • Masses molaires atomiques :
    • M(C) = 12 g.mol-1 ;
    • M(H) = 1 g.mol-1 ;
    • M(Br) = 80 g.mol-1 ;
    • M(N) = 14 g.mol-1 ;
    • M(O) = 16 g.mol-1.

Bandes d’absorption IR de quelques liaisons :

LiaisonNombre d’onde (cm-1)
C-H2850 - 3020
C=O (aldéhyde)1720 - 1740
C=O (acide carboxylique)1700 - 1720
C=O (ester)1735 - 1750
C=O (acide aminé)1590 - 1600
O-H (acide carboxylique)2500 - 3300 (bande large)
O-H (alcool)3200 - 3550
N-H (amine)3250 - 3400
N-H (acide aminé)2600 - 3100

1. L’alanine

La formule semi-développée de l’alanine est :

1.1. Molécule d’alanine

1.1.1. Justifier que le nom donné à l’alanine en nomenclature officielle est
l’acide 2-aminopropanoïque.

1.1.2. Pourquoi l’alanine présente-t-elle des stéréoisomères ?

Donner leur représentation de Cram et préciser le type de relation de stéréoisomérie qui les lie.

1.2.   Synthèse de l’alanine.

L’une des voies de synthèse de l’alanine consiste à faire réagir l’ammoniac avec l’acide 2-bromopropanoïque. Le bilan de la synthèse peut être modélisé par la réaction chimique d’équation :

1.2.1. Déterminer la catégorie de cette réaction.

1.2.2. Dans les conditions opératoires choisies pour la synthèse, le rendement est de 80 %, l’ammoniac, réactif le moins onéreux, étant mis en excès.

Quelle masse d’acide 2-bromopropanoïque faut-il utiliser pour synthétiser 1,0 kg d’alanine ?

1.3. Spectres IR et RMN du proton de l’alanine.

On dispose des spectres IR et RMN du proton de deux composés dont l’un des deux est l’alanine. Identifier les spectres correspondant à l’alanine. Justifier.

Composé A

Spectre RMN (obtenu dans des conditions permettant d’éliminer les signaux relatifs à
N-H et à O-H).

Composé B

Spectre RMN (obtenu dans des conditions permettant d’éliminer les signaux relatifs
à N-H et à O-H)

2. Spectroscopie infrarouge

Les techniques de spectroscopie reposent sur l’interaction entre un rayonnement électromagnétique et la matière. L’absorption de certaines radiations infrarouges par une molécule organique provoque des vibrations moléculaires.

On s’intéresse aux vibrations d’élongation qui correspondent à une modification périodique de la distance entre deux atomes liés. Elles peuvent être étudiées en modélisant une liaison covalente par un oscillateur mécanique.

2.1    Exemple d’oscillateur mécanique

Un solide de masse m pouvant glisser sans frottement sur une tige horizontale et accroché à un ressort de raideur k comme l’indique la figure ci-dessous, constitue un exemple d’oscillateur mécanique.

La position du solide est repérée sur l’axe Ox par l’abscisse de son centre d’inertie G.

On réalise trois expériences pour étudier l’influence de différents paramètres sur les oscillations. Le solide est écarté de sa position d’équilibre, repérée par l’abscisse x = 0, de façon à étirer le ressort, puis est lâché sans vitesse initiale.

L’évolution de la position x en fonction du temps est représentée ci-après pour chaque expérience.

Courbe 1 : m = 145 g   ;   k = 10 N.m-1
Courbe 2 : m = 145 g   ;   k = 30 N.m-1
Courbe 3 : m = 500 g   ;   k = 10 N.m-1

Discuter, d’après les courbes 1 à 3, de l’influence de la masse m du solide et de la constante de raideur k du ressort sur les oscillations.

2.2    Vibration d’une liaison covalente.

La vibration de la liaison de covalence liant deux atomes A et B de masses respectives mA et mB est due à l’absorption d’une radiation électromagnétique dont le nombre d’onde s s’exprime par la relation :

    \[\sigma = \frac {1} {2 \cdot \pi \cdot c} \cdot \sqrt{\frac {\alpha}{µ}}\]

On appelle cette relation la loi de Hooke.

Données :

  • Masses atomiques : mH = 1,67 × 10-24 g   ;   mC = 1,99 × 10-23 g   ;   mO = 2,66 × 10-23 g ;
  • Constante de force de la liaison C – H : a = 5,0 × 105s-2 .

2.2.1      Retrouver l’unité du nombre d’onde s par une analyse dimensionnelle.

2.2.2      Calculer le nombre d’onde correspondant à la vibration d’élongation d’une liaison C – H.

Comparer le résultat aux données.

2.2.3      Dans les acides carboxyliques, l’absorption du rayonnement IR par la liaison simple C – O du groupe d’atomes C – OH est observée vers 1300 cm-1 alors que celle de la liaison double C = O est observée aux alentours de 1700 cm-1.

Sachant que les masses réduites des groupes d’atomes C – OH et C = O, peuvent être considérées comme étant égales, proposer une explication.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.