29/09/2013 C04_spectre_IR2.doc 1/3
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TS Thème : Observer TP n°4
Chimie Spectres infrarouges Chap.4
But : Exploiter des spectres infrarouges - Identifier des liaisons chimiques à l’aide des nombres d’ondes.
Préalable
La spectroscopie infrarouge (IR) est une technique spectroscopique qui permet d’analyser des solides, des liquides ou des gaz.
Dans l’industrie, elle trouve des applications pour les contrôles de qualité dans l’agroalimentaire et 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 peuvent subir des mouvements de vibrations qui leur sont propres. Une molécule peut ainsi être le siège d’oscillations de la longueur de liaison (vibration d’élongation) ou/et d’oscillation de l’angle de liaison (vibration de déformation).
On peut « visualiser » ces vibrations grâce au logiciel Specamp (sur le Bureau). Une fois le logiciel ouvert, dans le bandeau supérieur sélectionner . (modes de vibrations)
Choisir alors dans le cadre en bas à droite le type de vibration à visualiser.
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 permet alors de mettre en évidence les radiations absorbées.
1. Allure d’un spectre infrarouge.
Voici, ci-contre le spectre IR du propan-2-ol.
Visualiser ce spectre grâce au logiciel Specamp en cliquant sur l'outil dans le bandeau supérieur . Dans la partie droite de la fenêtre, cliquer sur Charger un spectre IR ( ), puis dans la boîte de dialogue qui s’affiche, allez dans le répertoire de la classe, choisir alors IR_2-propanol.jdx. Décochez « limite supérieure … » 1.1. Préciser quelle est la grandeur représentée en ordonnée ?
Quelle est son unité ?
1.2. Choisir dans la liste ci-contre, en argumentant, l’expression de la transmittance en fonction des intensités I et I0 :
1.3. Pourquoi le spectre présente-t-il des « pics » inversés ? 1.4. Quelle est l’unité de la grandeur en abscisse ?
La grandeur associée est notée σ, est appelée nombre d’onde (wavenumber). Elle est liée à la longueur d’onde.
1.5. Choisir dans la liste suivante la relation qui les unit : σ = – λ ou σ = 1 λ 1.6. Quelle est la particularité de l’axe des abscisses ?
1.7. A l’aide de la relation choisie, montrer que les radiations utilisées correspondent à des radiations infrarouges.
2. Etude des spectres de deux molécules proches Le document ci-contre
présente 2 spectres d'alcools de classe différente dont on donne les formules topologiques.
2.1. Associer un nom aux formules topologiques indiquées par et
T = I – I0 T = I
I0 T = I0 – I T = I0
I
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A l'aide du menu Spectroscopie IR > Superposition des spectres IR, superposer les deux spectres correspondant aux 2 alcools (prendre 2 couleurs bien distinctes).
2.2. Sans tenir compte des valeurs de T(%), identifier, sur l’axe des abscisses, la zone des nombres d’onde où les spectres sont similaires et la zone où les spectres présentent plus de différences.
La zone des spectres IR due à l’enchaînement carboné est appelée « empreinte digitale ».
2.3. Identifier sur le spectre de la zone de l’empreinte digitale et la zone due aux autres liaisons.
2.4. 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
2.5. A l'aide de la table spectroscopique IR simplifiée (données), préciser sur le spectre quel pic correspond à la fonction caractéristique des alcools et celui correspondant aux liaisons C –H.
2.6. Rappeler pourquoi ces deux alcools sont de classe différente ? Ouvrir la banque de données interactive à l'adresse suivante :
http://www.unice.fr/cdiec/animations/spectroscopie/infra_rouge/infra_rouge.htm
2.7. Rappeler la relation entre λ et f puis exprimer la relation avec le nombre d'onde σ. Justifier l'utilisation du terme « fréquence » dans le titre du document.
2.8. Retrouver, dans la zone correspondant à l’empreinte digitale des molécules, l'encadrement du nombre d'onde correspondant à la distinction des classes d'alcools.
Remarque : un atome de carbone est d'autant plus substitué qu'il porte moins d'atomes d'hydrogène.
Quitter le module de superposition avant de poursuivre : . 3. Etude de différents spectres
3.1. Spectre IR du propane
Cliquer sur l'outil dans le bandeau supérieur . Dans la partie droite de la fenêtre, cliquer sur Charger un spectre IR ( ), puis choisir IR_propane.jdx.
3.1.1 Donner la formule semi-développée de la molécule de propane : 3.1.2 Quelles liaisons trouve-t-on dans une molécule de propane.
3.1.3 Sachant que la zone en-dessous de 1500 cm-1 est liée à l’enchaînement carboné, à quelle liaison est associé le pic situé entre 1500 et 4000 cm-1 ?
3.1.4 Déterminer la valeur (ou l’intervalle) du nombre d’onde associé à ce pic.
3.2. Autres spectres
Pour cette étude, les spectres IR seront visionnés grâce au logiciel Specamp. Il faudra utiliser judicieusement le logiciel en superposant le cas échéant certains spectres de façon à identifier les "pics" caractéristiques de certaines liaisons chimiques autres que la liaison C – C. Il faudra également avoir recours la base de données interactive précédente pour confirmation des encadrements du nombre de d'onde correspondant à ces pics.
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3.2.1 Compléter le tableau en associant des encadrements de valeurs du nombre d'onde aux liaisons chimiques présentes dans les différentes classes fonctionnelles.
Fonction 3.2.1. liaison Nombre d’onde (cm-1) 3.2.2. intensité alcane
alcool aldéhyde
cétone acide carboxylique
amine ester amide
3.2.2 Préciser si le pic est fort (F), moyen (m) ou faible (f) et préciser également s’il est fin ou large.
Montrer le tableau constitué au professeur 3.3. Cas de la liaison O-H
Le tableau de données fait apparaître deux possibilités pour la liaison O-H dans les alcools : O-H lié et O-H libre.
Retrouver les deux pics correspondants en ouvrant les spectres butan-2-ol (gaz) et butan-2-ol (solution).
3.3.1 Quelle molécule contient la liaison O-H libre ? O-H lié ?
3.3.2 Qu’est-ce qui peut être à l’origine du O-H lié ? (il faudra se souvenir du programme de 1ère S !) 3.3.3 Le spectre du propan-2-ol présenté au paragraphe 1 a-t-il été obtenu en phase gazeuse ou en solution ?
Argumenter.
4. Identification d’une molécule.
On doit identifier une espèce chimique qui peut-être l’une des quatre molécules suivantes :
Le document ci-après présente le spectre de l’espèce inconnue.
4.1. Identifier la molécule s'appuyer sur le spectre pour rédiger un court paragraphe mettant en évidence les étapes de la résolution.
