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Essai d’interprétation des spectres d’absorption dans le
proche infrarouge. - I. Hydrocarbures saturés
aliphatiques
Germain Gauthier
To cite this version:
19.
ESSAI
D’INTERPRÉTATION
DES SPECTRES D’ABSORPTION DANS LE PROCHE INFRAROUGE. I. HYDROCARBURESSATURÉS ALIPHATIQUES
Par GERMAIN GAUTHIER
(1).
Laboratoire des Recherches physiques à la Sorbonne.Sommaire. -Avec un spectrographe infrarouge à réseau, nous avons étudié, entre 0,8 et 1,9 03BC environ, les
spectres d’absorption, à l’état liquide, de dix hydrocarbures aliphatiques saturés. La liaison
carbone-hydrogène se manifeste par des séries (perturbées ou non perturbées) de bandes d’absorption 2014
attri-buables en première approximation aux groupements CH, CH2, ou CH3 2014 entre lesquelles se mesurent des maxima beaucoup moins intenses, explicables par des combinaisons de fréquences. Celles-ci per-mettent, par l’étude seule du proche infrarouge, d’obtenir les nombres d’ondes d’oscillations
fondamen-tales, qui se placent dans la partie du spectre possédant de beaucoup plus grandes longueurs d’onde.
JOURNAL PHYSIQUE TOME
14,
JANVIER1953,
Nous avons utilisé un
spectrographe
àmiroirs,
muni d’un réseau par réflexion
(580
traits/mm),
rappelant
lesmontages
dé Barnes[3],
deHardy
[ 18]
et surtout celui de Pfund
[26].
En recourant à des miroirsplans,
percés
en leur centre d’une ouverture,on
peut
faire travailler les miroirssphériques
concaves sous une incidence normale et obtenir de bonnesimages.
Cetinstrument
adéjà
été décritpar Yeou Ta [31], mais nous l’avons
complètement
transformé et
reconstruit
pour obtenir uneexcel-lente stabilité et surtout une résolution
beaucoup
plus
grande.
Eneffet, l’utilisation,
commerécepteur,
d’une cellule au sulfure de
plomb,
reliée à unampli-ficateur
à troisétages,
fonctionnant avec desradia-tions modulées
[25], [16],
apermis
d’arriver à unesensibilité au moins 100 fois
supérieure
à celle dela
pile thermoélectrique précédemment employée.
Onpeut
alors travailler avec des fentesbeaucoup
plus
fines. Lecourant,
débité par l’amplificateur etproportionnel
à l’intensité des radiations arrivant surla
cellule,
est redressé etenvoyé
dans ungalvano-mètre A. 0. I. P. d’une seconde de
période.
L’enregis-trempent
des déviations de cegalvanomètre,
en fonctiondes
longueurs
d’onde,
se fait sur unpapier
photogra-phique
sensible,
la liaison avec lespectrographe
s’effec-tuant au moyen d’un
système
detrois
miroirsplans
précédemment
décrit[23].
Pour des raisons deconvenance
pratique,
chaque
moitié de notrerégion
d’étude
s’enregistrait
séparément
en 15 m environ.L’ensemble de cet
appareil
permettait
l’examen de larégion
spectrale
o,8-1,g
u, danslaquelle
lacellule,
utilisée commerécepteur,
possède
unesensi-bilité
particulièrement
élevée. Lacomparaison
de la structure fine des bandes de la vapeur d’eauatmosphérique
à 1,38 et1,87
p., telle que nousl’avons
enregistrée,
relativement à cellequi
ressort desspectres
dePlyler
[27], [28] indique
unpouvoir
de résolution de 6 cm-1 environ : i mm du
papier
photographique
correspond
à 5 cm-1 vers 5 ooo cm-1et à 8 cm-1 vers 10 ooo cm-1.
(1) Actuellement Professeur au Collège Saint-Jean, province
de Québec (Canada).
Avec tous les
spectres
deshydrocarbures
étudiésici
à l’étatliquide,
nous trouvons une successionde
régions d’absorption,
séparées
par des zonesd’opacité
beaucoup
plus
faible. Dans tous les cas,a. Aspect général du spectre des hydrocarbures; b.
Struc-ture à 3,4 pL de la bande fondamentale; c. Structure à 1,7 u.
de l’harmonique 2 v; d. Structure à 1,2 li. de
l’harmonique
3 v ;e. Structure à,o,g u. de l’harmonique 4 v.
d’ailleurs,
onpeut
mettre en évidence un nombreplus
ou moins élevé de maxima distincts. Les zonesde
forte
absorption
correspondent
à desharmoniques
des vibrationsfondamentales
entre le carbone etl’hydro-gène,
situées vers 2 goo cm-1 et les zones deplus faibles
absorption
à des combinaisons. Nous les étudierons successivement. Lafigure
1 a donné unaspect
général
duspectre
deshydrocarbures
dans notrerégion.
Les
épaisseurs
deliquide, qui
sont nécessaires pour faireapparaître
les bandes decombinaison,
apparaissent
2 à i o foisplus
fortes quecelles
qui
conviennent aux bandes
harmoniques.
Pour ces20
dernières,
nous avons utilisé des cuves variantentre o, i cm dans la
région
1,7-1,9 P. et 5 cm dans larégion
o,9-1,o p.. On voit donc que, sans demander desquantités
trèsimportantes
deliquide,
l’utilisation duproche
infrarouge,
dans un butanalytique,
nepeut
pas s’effectuer avec des échantillons dequelques
millimètres
cubes,
comme on arrive à le faire entre 6et i5 u, par
exemple.
’Dans ce
qui
suit,
conformément aux idéesdévelop-pées
par d’autresauteurs,
nous
considéreronsles
groupements
CH,
CH2
etCH,
deshydrocarbures
comme isolés du reste de la molécule et vibrant
pour
leur proprecompte.
Cettehypothèse,
commode pourl’interprétation,
estadmissible,
enpremière
approximation
parce que, pour leshydrocarbures
en
particulier,
l’ensemble de la molécule n’exercequ’une
influence faible sur les vibrations des liaisonscarbone-hydrogène.
Ce travail
reproduit
unepartie
d’une.
Thèse de I)octorat ès Sciences(Paris,
ig5i)
qui
n’a pas étépubliée,
etqui
a donné lieu seulement à trois Notes auxComptes
rendus de l’Académie des Sciences(1950,
231,
837, 962
’eti453).
1. Bandes
harmoniques. -
Suivant lathéorie,
les vibrations fondamentales de valence
carbone-hydrogène
seplacent
dans larégion
de3,4 u
(2
900cm-1) :
deux pour legroupement CH,
dontune double
dégénérée
(en
première approximation),
deux pour legroupement CH2
et une pour legrou-pement CH.
a. ATTRIBUTION DES MAXIMA OBSERVÉS AUX GROUPEMENTS
CH,
CH2
ouCH3.
- Les résultatsobtenus, aussi bien par
absorption que par
diffusion(spectre
Raman),
concernant les vibrations fonda-mentales(région
de3,4
u),
que nous n’avons pasétudiées
personnellement,
sont résumés dans lafigure
i b. Suivant Kohlrausch etKôppl
[22],
les nombres d’ondes sont :2851,
2874, 2908
(dédoublé
en
2897
et 2910 cm-1 parHerz,
Kahovec etWagner [19]),
2935
et2962
cm-’. Chabbâl[7]
donne des nombres différant de 1 o cm-’ enmoins,
et identifie
2890
cm-1provenant
deCH3,
au lieu de2890
cm-1.Comme on
peut
le voir par le tableausuivant,
l’interprétation
dupremier harmonique
dans larégion 5600-5900
cm-1
varie assez fortement suivantles auteurs. Nous
avons
trouvéquatre
bandes pour leshydrocarbures
à -chaîne *droite etcinq
pour leshydrocarbures
à chaîneramifiée,
la bande de5750
cm-1n’apparaissant
;que pour ces derniers(fig.
2).
Lareconnaissance d’un
hydrocarbure
à chaîne ramifiéeest donc immédiate par ce
procédé.
Pour les
harmoniques
suivants,
Freyman,
enparticulier,,
n’ayant
pu
mettre en évidence que’ deux
composantes,
pensait qu’ils correspondaient
à une structure différente du fondamental et du
premier
harmonique.
Enréalité, si
l’onopère
aver unedispersion suffisante,
lefondamental
et leshar-moniques
successifs possèdent
la même structurecomptexe.
Le deuxième
harmonique
(3 v)
sedécompose
en deux maximaintenses,
escortés dequatre
plus
faibles. Etude antérieure de Brackett[5].
Suivant lafigure
d,
lesfréquences
due
l’hexane seprésentent
à
8265,
8379,
8451
et8670
cm-1 et leshydrocar-bures
à
chaîne ramifiéepossèdent,
enplus,
unebande CH ’à 8160 cm--1..
. Fig. 2. -
Spectres des harmoniques 2 v
et 3 v de quelques carbures, sous et 5 mm.
Le troisième
harmonique (4 v)
tombe dans larégion
de o,g [u,qui
est moins favorablerelati-vement au
pouvoir
de résolution duspectrographe
utilisé. Pour l’hexane,
(n),
on trouve néanmoins des maxima à 10720, 10900,I I o45
etI I 264
cm-1(fig.
1e),.
, ,
/
b. CALCUL DES POSITIONS DES MAXIMA RELATIFS AUX GROUPEMENTS
CH,
CH2
etCH3.
- Lafor-mule de
Kratzer,
reliant lafréquence Vn
del’har-monique
d’ordre n avec lafréquence
vo del’oscilla-tion
d’amplitude
infinimentpetites,
adéjà
donnélieu à diverses
applications
et s’écritoù x,
y, z, ,..représentent
depetites
constantes.S’il n’existait pas d’anharmonicité
(x=y=z=o),
en
portant
enabscisses vn et,
enordonnées,
n, nousobtiendrons une droite. Une
courbe,
inclinée parrapport
aux axes,indique,
immédiatement lapré-sence d’une harmonicité
plus
ou moinsgrande
suivant lapente.
Il est commode de se servir de lareprésen-tation, n
en abscisses et n en ordonnéesplutôt
quede
l’équation
indiquée
ci-dessus,
car, parexemple
pour une formule à deux termes(y=z=o),
onrepère
mieux l’existence d’une
droite,
sur unintervalle
n
de
400 cm-1,
quecelle
d’uneparabole
sur unevaria-tion de 8000 cm-’.
Les vérifications de la formule de Kratzer nous
indiquent
que, pour lefondamental
etles
harmoniques
successifs,
ellereprésente
assez correctement lesrésul-fats
expérimentaux,
sauf
pour lepremier
harmo-nique
2 v. Celui-ciprésente
un écart de40
à 70cm-1,
suivant les suites considérées. Il n’est pas
possible
au moyen, par
exemple
de termes dedegré
supé-rieur,
dans la formule deKratzer,
de trouver unecourbe
passant,
àquelques
cm-’près,
par tous lespoints expérimentaux :
elle devait -changer
deconcavité,
suivant que n est inférieur à 3 ousupérieur
à
4
cequi
semble inadmissible. La dérivée secondede la fonction s’annulerait entre
2760
et 2800 cm-1et coïnciderait en même
temps
avec la valeur de v0’ce
qui
estimpossible
puisque
cette dernière sepré-sente comme notablement
plus
élevée. D’autrepart,
admettre que lepremier harmonique
2 v se montreinactif pour certaines vibrations - ce
qui
permet-trait de n’en pas tenir
compte
pour le tracé des courbes de Kratzer - nefait que
déplacer
leproblème
en le
compliquant.
Nous pensons, pour
expliquer
cetteanomalie,
f aire
intervenir un
phénomène
de résonance entre une. vibration
fondamentale
de valencecarbone-hydrogène
et le
premier harmonique
d’une vibration dedéfor-mation
,carbcne-hydrogène.
Ilfaut,
bienentendu,
que ces deux oscillations entrant en résonance
possèdent
la mêmesymétrie.
Cetteexplication,
déjà proposée
par Glockler et Renfrew dans le casde l’éthane
liquide [ 17],
conduit à uneperturbation
dans les
fréquences
des vibrations fondamèntalesvers 2goo cm-1 et
permet
de lesplacer,
ainsi quetous les
harmoniques
(y compris 2
v)
sur une courberégulière.
Ainsi,
pour l’hexaneliquide,
nous admettonsqu’une
vibration
fondamentale devalence,
vers2908
cm-’,
résonne avec lepremier harmonique
2 X
1460
cm-1 d’une vibration de déformation doubledégénérée
CH3,
cequi
fournit les deux bandes2875
et2g42
cm-1(l’intensité
de lapremière
atteint celle de laseconde,
par suite duphénomène
derésonance).
Demême,
une vibration fondamentalede valence
CH,,
vers2g4o
cm-1 entrant en résonance avecl’harmonique
2 X147o
cm-1,
produit
les deux maxima vers 2gio et2980
cm-’(dès
lorsattri-buables tous deux à
CH3).
Laperturbation, par les
Fig. 3. - Séries des carbures expliquées par la résonance.
harmoniques
des vibrations dedéformation,
conduit ainsi à une élévation defréquences
des vibrations devalence
CH2
etCH,
considérées. Les vibrations à298o
et
2940
cm-1 sontsimples
et nepeuvent
résonnerqu’avec
une vibrationharmonique
de mêmesymétrie,
provenant
deCH3-Le même
phénomène
de résonance nepeut
pasavoir
lieu,
pourl’harmonique
2 v des vibrations2908
et294o
cm-1,
avecl’harmonique
4 v
desvibra-tions
I46o
et1470
cm-1,
ni pour lesharmoniques
suivants,
à cause dutrop
grand
écart des nombres22
pour
aucun desharmoniques
des vibrationsfonda-mentales situées
près
de 2900 cm-1.Les suites calculées sont
indiquées
dans le tableau page 21 et dans lafigure
3.Nous avons
également porté,
dans le mêmegra-phique,
en traitdiscontinu,
une suite defréquences
que nous pensonscaractéristique
de. CH et,qui
appartient
en propre auxhydrocarbures
à chaîneramifiée. Elle
est,
comme l’onpouvait
s’y
attendre,
beaucoup
moins forte que les autresséries,
étant donné que le nombre desgroupements
CH,
dans lescomposés
que nous àvonsétudiés,
reste très inférieur à celui desgroupements
CH2,
parexemple.
Le fondamental seplacerait
vers 303ocm-’,
cequi
esten
accord,
à -!- 5 cm-1près,
avec lesspectres
d’hydrocarbures
publiés
par le Bureau ofStandards,
àWashington.
C. INTENSITÉ DES BANDES HARMONIQUES. -
Frey-mann avait
déjà
montré que si l’onprend
ladiffé-rence de
profondeur
à h,
entredeux
bandesde
combi-naison vers i jm, on
peut
déterminer le nombred’atomes de carbone de la chaîne carbonée. Cette méthode donne des résultats
beaucoup
meilleursen la
transposant
auxharmoniques
2 v et 3 v, etelle ne demande alors
qu’une quantité
de substancebeaucoup plus
réduite. Lafigure
4
montre les déni-vellations àh en millimètres pour diversespaires
de
composantes,
caractéristiques,
comme nous l’avonsvu, de
CH2
etCH,,.
(Les
bandes lesplus
fortes sontFig. 4. -
Analyse de l’harmonique 2 v.
marquées
d’un traitsuscrit.)
Les deuxcomposantes
varient en intensité avec lalongueur
de la chaînecarbonée,
mais ladifférence
de ces intensités estindé-pendante, qu’il s’agisse
desgroupements
CH2
ouCH3.
L’étude
quantitative
desspectres
d’absorption
dans leproche infrarouge
permet
encore, d’uneautre
manière,
de se relier à lalongueur
de la chaîne carbonée.La bande
CH2,
laplus
intense,
dans lesharmo-niques
2 et 3 vers 1,7 et 1,2 P. semblait sedéplacer
vers deplus
bassesfréquences,
à mesure que lalongueur
de la chaîne carbonée croissait : enréalité,
Fig. 5.
A. Dédoublement de la bande 8 a Go cm-’ sous 5 mm; a.
n-hexa-décane ; b. ntétradécane; c. n-heptane; d. n-hexane. B. Examen des bandes dédoublées 5 800 et 8 260 cm-1.
il
s’agit
d’un doublet dont le centre degravité
suit le mouvementindiqué (pour l’harmonique
2 v,voir
fig.
5a).
Ainsi,
pour l’hexane(n),
la bandeCH2,
indiquée par
Liddel etKasper
[24]
vers5790
cm--1,
se dédouble en unecomposante
intense à 580o cm-1et en un
point
d’inflexion non douteux à5780
cm-’.Pour
l’hexadécane,
les intensités sont inversées. Le mêmephénomène
a lieu pour l’harmonique 3 vavec le doublet
8250-8275
cm-1. Pour mettre cephénomène
enévidence,
l’épaisseur
de la cuve esttrès
importante :
1 mm à 1,7 u. et 5 mm à 1,2 u.En
opérant
respectivement
avec 2 et 1 o mm,l’élar-gissement
des raies nepermet
plus
de voir le.dédou-blement. Pour les
harmoniques supérieurs,
commepour le
déplacement
de l’autre vibrationCH,
(beau-coupplus
faible,
de5672
cm-1 avec l’hexane à à5667
cm-1 pourl’hexadécane),
lespectrographe
utilisé n’était pas assezdispersif
pour obtenir lescomposantes.
Il semble que les
groupements CH,
termi-naux influencent les
groupements
CH2
voisins etaugmentent
leurfréquence
de vibration. L’action deCH3
s’étendrait àquelques CH2,
soit par actiondirecte,
soit parbattement,
du secondCH2
avec lepremier.
Pour le décane(fig.
5b),
il y auraitquatre
groupements
CH2
vibrant à lafréquence
basse etquatre
vibrant à lafréquence
élevée,
cequi
indiquerait
que
chaque
CHg
affecterait la vibration des deux23
l’intensité absolue des bandes
CH,
CH2, CH3,
inter-prétée
comme unmélange
de bandesn’ayant
pasd’interaction,
au moins enpremière
approximation..
Dans une molécule à chaîne ramifiée relativement courte, avec moins de dix atomes de
carbone,
ilest facile de
prévoir
que le doublet considéré ci-dessussera inexistant et que subsistera seule la vibration
CH2
affectée parC,H3,
c’est-à-dire lescomposantes
5800et
8275
cm-1.2. Bandes de combinaison. - Les
régions
de moindreabsorption, qui
se trouvent entre leshar-moniques
successifs etqui
se laissentdécomposer
en des maximaplus
ou moins nombreux(si
l’onutilise une
technique correcte)
ainsi que l’ont montréprécédemment
plusieurs
auteurs,
comme Yéou Ta[31]
et
Freymann [11], [12]
s’interprètent par la
combi-naison des
fréquences
harmoniques
avec lesfréquences
d’oscillation
fondamentales beaucoup plus
basses. ,Entre deuxharmoniques
successifs,
on doit retouverla totalité du
spectre
d’absorption, depuis
l’infrarouge
moyenjusqu’à
l’infrarouge
de trèsgrande
longueur
d’onde : il estreprésenté
par des bandes dont les nombres d’ondes sontsimplement
augmentés
du nombre d’ondes del’harmonique
considéré,
remplis-sant l’office d’ondeporteuse.
-La difficulté
vient,
dans notre cas, de ce que lescombinaisons des
fréquences
fondamentales avecla
composante
laplus
intense d’unharmonique
ne
peuvent
expliquer
tout lespectre
observé. D’autrepart,
comme on le constatefacilement,
certainesbandes du
spectre
de combinaisonpeuvent
résulter de deux ou trois combinaisonsthéoriques possibles
avec différentescomposantes
del’harmonique.
Aussi,
pour
éviter
unepart
d’arbitrairecomplètement
inadmissible dans le choix des
combinaisons,
et pouressayer de débrouiller l’ensemble extrêmement touffu des
spectres,
nous avons admis que desspectres
ana-logues
devaients’expliquer
de la même manière.Ainsi,
l’hexane etl’heptane
révèlent desspectres
d’aspect général
semblable et des structures assezrapprochées
l’une de l’autre. Ils doivent donclogi-quement
tirer les
fréquences
decombinaison,
qu’ils
ont en commun, de la combinaison des mêmes vibrations. Les bandes
de
l’hexaneà 7181
I et del’heptane à 7177
cm-1s’interpréteront
par la seule combinaison commune(à
l’exclusion des autrescom-binaisons
possibles)
5803 +
1382 et5go5
+1384
cmwrespectivement.
De la mêmemanière,
nousasso-cierons le
méthyl
2-pentane
et leméthyl
3-pentane,
lediméthyl
2.3-pentane
et lediméthyl
2.4-pentane.
La considération desspectres
par groupe d’isomères aurait été stérile.En
adoptant
le fil directeurindiqué,
on aboutit aux tableaux de combinaisonssuivants;
tant pourles
régions
6400- 740o
que9300-ioooo
cm-’,
qui
utilisent les nombres ’d’ondes réellement observés dans lespectre plus éloigné
du visible.A.
Région
de combinaison6400-7400
Cm-1.-24
On
peut
remarquer, enpassant
que, lacompo-sante
CH3
laplus
intense del’harmonique
2 v, vers586o
cm-’,
ne secombine,
dans aucunspectre,
avec lafréquence
fondamentale de déformationvers 1460
cm--’. Aucontraire,
pourl’harmonique
suivant 3 v, lacomposante
CH3
vers 838o cm-1se
combine,
pour tous leshydrocarbures
étudiés,
avec146o
cm-1.Quelques
bandes, 4
à5,
pour chaquehydrocarbure,
le caractérisent en propre, et
n’apparaissent pas dans
les
spectres
deshydrocarbures
voisins et de mêmestruc-fure,
prii
comme termes decomparaison.
Nous lesdonnons
ci-après :
L’analyse
duspectre
de combinaison dans larégion
61oo-64oo
cm-l,
permet
de mettre en évidence desfréquences
de vibrationbasses,
qui
ont pu êtreobser-vées au moyen de l’effet
Raman,
mais dont la mesuredirecte par
absorption
reste encore difficile. Enemployant
la même méthode de sélectionque
précédemment,
nous trouvons ainsi les nombres d’ondes suivants :Fréquences
basses données par l’effet Raman(25) :
Fréquences
basses données par l’effet Raman( 25 ) :
Fréquences
basses données par l’effet Raman(25).
Fréquences
basses données par l’effet Raman(22).
Nous ne connaissons pas le