2018-2019 Nom : …………………………… Prénom : ………………………… Thème 1 OBSERVER : Ondes et Matière Dr : Nader Ben-Cheikh Tel :27 445 999 Ch1. Ondes et particules I. Les rayonnements Le ……………………… est la principale source de rayonnement du système solaire. Un rayonnement est un transfert ……………………… qui peut s'effectuer sous 2 formes: - les………………………………………… OEM (combinaison d'un champ électrique et magnétique qui se propage) - les……………………………… (neutrons, protons, noyaux d'hélium ...) 2 Remarque: un photon est à la fois une particule et une OEM. Cependant il n'a ni …………………. ni …………………, il transporte uniquement de ………………………. Une onde électromagnétique est caractérisée par: - sa longueur ………………… (notée ……..) dans le vide dont l'unité est le ……………. (m). Elle dépend du ………………………… ………………………………….. - sa …………………… notée ……., qui ne dépend pas du milieu de propagation, dont l'unité est le ………………… (Hz) La période de vibration …….. (unité la …………………) du rayonnement est égale à l'inverse de sa ………………….. : ………………. Dans le vide, une onde électromagnétique (OEM) se déplace avec une célérité c = ……………………. 3 Relations entre longueur d'onde, célérité de la lumière dans le vide, fréquence et période : …………………… ……………………. Energie d’une OEM : …………………………. On distingue plusieurs types d'OEM en fonction de leur fréquence ou ………………………………… dans le vide. Par classement croissant de fréquence et donc ………………….. on a : les ondes radio, les micro-ondes, les infrarouges, les rayonnements visibles, les ultraviolets, les rayons X, les rayons gamma Le soleil émet plusieurs types de rayonnement vers la Terre, essentiellement: la lumière blanche, les ……………………… (IR), les 4 …………………………… (UV) et des particules (le flux de particule est appelé le ………… solaire) Ces rayonnements sont à 30% environ réfléchis et à 20 % environ ……………… par l'atmosphère terrestre. Le rayonnement UV est presque totalement absorbé par l'atmosphère terrestre et notamment par les gaz: - …………………… (O2) d'azote (N2O) - ……………….. (O3) - protoxyde Les IR sont absorbés par les gaz à effet de serre comme: - le ………………………………………. (CO2) - l'eau sous forme vapeur - le ………………………… (CH4) Le soleil envoie vers la Terre un flux de particules, le …………….. …………….., qui est dévié vers les pôles par le champ 5 …………………………… terrestre. Ces particules excitent les molécules présentes dans l'atmosphère. Celles-ci, en se désexcitant produisent des …………………… polaires. 6 II. Les Ondes mécaniques Les OEM peuvent se déplacer dans le …………………. Une onde mécanique ne peut pas se déplacer dans le vide: elle a besoin d'un milieu ……………………….. pour se propager. Onde Longitudinale : Direction de ……………………. ………………….. à la direction de …………………… Onde Transversale : Direction de ……………………. ………………….. à la direction de …………………… Une onde mécanique progressive correspond au phénomène de …………………………… ………………………, sans d'une perturbation transport de dans matière un mais milieu avec transfert…………………….. 7 Exemples : - la houle: il s'agit d'une onde mécanique en ………………… dimensions car elle se propage à la surface de l'eau. - les ondes sismiques: elles sont créées au cours d'un déplacement de la croute terrestre. La magnitude mesure ………………………… dégagée par le séisme. On utilise l'échelle de ……………………… pour indiquer la valeur de la magnitude. - les ondes sonores: (onde …………………….) un son est produit par une perturbation qui fait déplacer la matière de part et d'autre de sa position d'équilibre. C’est une onde à …………………… dimensions. 8 Les 3 caractéristiques d'un son musical: - sa …………………………… ou sa fréquence (Hz). Plus la fréquence est élevée plus le son est ……………. et inversement. - le niveau ……………………… sonore L mesurée en décibel (dB), (voir chapitre suivant). A partir de …………dB, l'oreille est susceptible d'être détériorée! - le …………………… qui dépend de l'instrument de musique. Pour détecter les séismes on utilise un …………………………... Pour détecter les ondes sonores on utilise un …………………………. ; Le microphone convertit les vibrations sonores de fréquence f en vibration ……………………… de même fréquence. 9 Ch2. Caractéristiques des ondes I. Onde progressive Une onde mécanique progressive correspond au phénomène de …………………………… d'une …………………………… dans un milieu ………………………, sans transport de ……………………. mais avec transfert …………………….. Une onde peut se propager en: - 1 dimension de l'espace, c'est le cas d'une onde le long d'une ……………….. La direction de la propagation est la ………………... passant par la corde tendue. - 2 dimensions de l'espace: c'est le cas de l'onde se propageant à la surface de …………………. - 3 dimensions de l'espace: c'est le cas des ondes ………………... ou lumineuses qui se propagent dans toutes les …………………….. Remarque : Le terme vitesse est utilisé pour les transports de …………………….., (par exemple la vitesse de déplacement d'un véhicule). Le terme célérité est utilisé pour les …………………... La célérité v d'une onde progressive est égale au rapport de la distance d parcourue par la durée t du parcourt: ……………………. 10 Une perturbation arrive au point A à l'instant tA et se propage et arrive à l'instant tB en un point B. Le retard à la perturbation noté est : ………………. . La relation entre le retard à la perturbation la célérité v de l'onde et la distance AB entre les points est: ……………………. II. Onde progressive périodique Une onde progressive est périodique lorsque la perturbation se …………………… identique à elle même à intervalle de temps T ……………….. T est appelé la …………………. temporelle de l'onde progressive. 11 La fréquence f de l'onde périodique est égale à l'inverse de sa période temporelle T: ……………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… 12 La longueur d'onde notée est : - la ……………………..minimale séparant 2 points ayant le même état ………………….. - la distance …………………… par l'onde en une période temporelle : ……………………. III. Ondes sonores et ultrasonores infrasons 0 sons audibles 20 ultrasons 20000 f(Hz) Un son audible par l'oreille humaine est compris entre …… Hz et ………………….. Hz environ. Au-delà il s'agit des ………………… (audibles par les chiens par exemple). En deçà il s'agit des ……………….. Plus l'amplitude de la vibration mécanique est grande, plus ……………………. sonore est importante. Plus le son est grave plus la fréquence est ………………….. En 1822 Joseph Fourier montre que tout signal périodique de fréquence f1 peut être décomposé en une ……………… de signaux sinusoïdaux 13 de fréquence fn multiples de f1. Les signaux sinusoïdaux sont appelés les …………………………. Le son produit par un instrument de musique (son complexe) est …………………… mais pas sinusoïdale. Il peut donc être décomposée en une somme de signaux …………………… appelé sa transformée de Fourier. Le spectre en fréquence d'un son est la représentation graphique de ……………………… en fonction de la …………………… des différentes harmoniques du son. L'harmonique de rang 1 appelée 14 également …………………………. possède la même fréquence que le ……………. La fréquence d'un son est appelé sa ……………………. Les fréquences fn des autres harmoniques sont des ………………….. de la fréquence f1 du fondamental : …………………. Timbre : Deux instruments peuvent jouer la même note de même fréquence. Cependant le son paraitra …………………….. car les harmoniques qui les constituent seront différents. Les sons ont des ………………… différents. Le timbre d'un son ……………………. des harmoniques qui le composent. 15 Le niveau sonore L d'un son d'intensité sonore I est donné par la formule : ………………………………………… Avec I0=1,00.10-12W.m-2 Unité: le décibel (dB) Le niveau sonore est mesuré par un ……………………………. Remarque : Si d = , les signaux sont en …………………………. Si d = , les signaux sont en …………………………. 16 Ch3. Propriétés des ondes I. Diffraction des ondes a. Le phénomène de diffraction Lorsqu'une onde rectiligne rencontre un objet de dimension 'a' elle se propage alors dans toutes les …………………………: il y a …………………………….... de l'onde par l'objet. L'objet diffractant est une …………………..ou un obstacle. b. Ondes lumineuses: relation entre longueur d'onde, taille de l'objet et ouverture angulaire Lorsque la lumière rencontre une fente ou un obstacle de faible dimension « a », la lumière subit une …………………: on obtient une succession de …………………éclairées séparées par des zones …………………. On a alors la relation suivante : …………… 17 L'écart angulaire étant très faible, la tangente de l'angle est peu différente de la valeur de l'angle en radian : ………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… II. Interférences a. Le phénomène d'interférence 18 Interférence lumineuse. On éclaire avec une source principale 2 ouvertures de largeur a. Celles-ci envoient à leur tour de la lumière vers un écran. Ces 2 sources appelées sources secondaires ont la même ………………… et un déphasage ………………. On dit qu'il s'agit de sources……………………... On observe une figure ……………………….. composée de zones lumineuses et de zones noires (absence de lumière). Interférences d'ondes mécaniques à la surface de l'eau Lorsque des ondes périodiques progressives produites par 2 sources ………………… se ……………………… superposent sont dans produites. un milieu, Des des zones d’…………………………. minimale et maximale apparaissent 19 b. Interprétation du phénomène d'interférence Considérons 2 sources cohérentes S1 et S2 et un point du milieu de propagation noté P. Les 2 ondes issues des sources arrivent en P. L'une a parcouru une distance S1P, l'autre une distance S2P. On appelle différence de ……………………….. la différence entre S2P et S1P ; elle est notée ……….. Si la différence de marche est égale à un nombre entier de longueur d'onde les 2 ondes qui vont arriver en P seront en …………………. Les 2 ondes ont des amplitudes maximales en …………… temps, ce qui rend leur somme ………………… On dit alors que l'interférence est …………….…………. 20 1 k (1/2, 3/2, Par contre lorsque la différence de marche vaut 2 5/2...longueur d'onde) alors les 2 signaux arrivant au point P sont en ……………………..de phase. La somme de ces 2 ondes est égale à ……………... On dit alors que l'interférence est ……………………. En résumé : Si …………………………… interférence …………………… Si ……………………………. interférence …………………… c. Valeur de l'interfrange 'i' Lors des interférences lumineuses, la distance séparant deux milieux de zones d'ombres …………………. est appelée ……………………. i. La valeur de l'interfrange i vaut: i .D a D: distance (m) entre les sources ………………………… et l'écran a: …………………… (m) entre les 2 sources secondaires : longueur d'onde (m) de la …………………… monochromatique i: ………………………., distance (m) entre 2 milieux consécutifs de zones …………………. 21 III. L’effet Doppler a. Effet Doppler Lorsqu'une ambulance se rapproche de vous le son est …………….. et le niveau sonore est de plus en plus ……………………. Par contre lorsque l'ambulance s'éloigne le son est plus ……………….. et le niveau sonore est de plus en plus ……………….. Une onde mécanique ou électromagnétique de fréquence fR est perçue avec : - une fréquence f1 plus …………………. lorsqu'elle s'approche du lieu de réception - une fréquence f2 plus …………………. …………………… du lieu de réception lorsqu'elle Cet effet est appelé l'effet …………………... L'effet Doppler est par exemple utilisé dans les ……………… automatiques pour déterminer les vitesses des véhicules. 22 Effet Doppler : C’est quand une onde …………………. avec une fréquence fE est perçue avec une fréquence fR différente de fE lorsque l’………………………. et le ………………………… sont en …………………….. relatif. La valeur de la différence entre les 2 fréquences fA ou fB et la fréquence de l'émetteur au repos fE, permet de calculer la vitesse v de déplacement de l'objet: v c.( fA fE f fB ) ou v c.( E ) fA fB (Relations qu’il ne faut pas apprendre par cœur) b. L'effet Doppler Fizeau en astronomie Lorsque, les longueurs d'onde correspondant aux raies noires du spectre d'absorption des éléments présents dans l'atmosphère d’une étoile sont décalés vers : - ……………………….. , l'étoile se rapproche - ……………………….. , elle s'éloigne. 23 Ch4. Analyse spectrale I. Spectroscopie UV-visible Spectrophotomètre : 24 a. Loi de Beer-Lambert L'absorbance d'une solution colorée A () est égale à : …………………………………. A est ……………. unité Le ……………………………….. doit être réglé sur la longueur d’onde max correspondant au ………………………… d’absorption. Principe de la méthode : On mesure les absorbances de ………………………. solutions (contenant l’espèce chimique à doser) de ………………………… différentes connues, puis on trace la courbe …………………………. A f C . Si la loi de Beer-Lambert est respectée, on obtient une ………………. passant par …………….. On mesure ensuite l’absorbance Ai de la solution …………………., on reporte la valeur de l’absorbance sur le graphique et on obtient la concentration C i de la solution. 25 b. Couleur et absorbance d'une solution colorée Une substance ………………… comme l'eau n'absorbe aucune radiation visible: son absorbance est nulle quel que soit …….. La couleur d'une espèce est la somme des ………………………….. des radiations qu'elle absorbe. couleurs 26 II. Nomenclature des composés organiques a. Groupes caractéristiques et fonctions Un composé organique provient d'une espèce ………………….. Il contient une chaine …………………. et un ou plusieurs groupes …………………………. Les molécules possédant le même groupe caractéristique ont des propriétés chimiques ……………………. Ces propriétés définissent la ………………… chimique. Voici quelques composés organiques oxygénés: Fonction (Famille) Groupe Caractéristique groupe carboxyle Exemple acide éthanoïque (présent dans le …………………………. vinaigre) …………………… groupe hydroxyle éthanol (présent dans le vin) 27 ………………….. groupe carbonyle (encadré) éthanal (produit par les plantes) groupe carbonyle ………………… (produit par les …………………… plantes) alcène 2-méthylbut-2-ène …………………. ester (encadrée) …………………………………… ………………… amine ……………….. la triméthylamine 28 amide N-méthylpropanamide ………………… b. Rappel sur le nom des 5 premiers alcanes à chaine linéaire 29 Les alcanes à chaine …………………. sont constitués à partir de carbone …………………… (lié à 4 autres atomes) et d'atomes d'hydrogène. Leur formule brute générale est ……………………….. Maman est partie bébé pleure Méthane éthane propane butane pentane Formule et nom du Nombre Formule Nom groupement alkyle de C brute correspondant ………………………. ………………………. ………………………. ………………………. ………………………. CH31 CH4 ……………. CH3-CH2- 2 C2H6 ……………….. CH3-CH2-CH2- 3 C3H8 ……………….. CH3-CH2-CH2-CH2- 4 C4H10 ………….…… CH3-CH2-CH2-CH2-CH2- 5 C5H12 ……………………… 30 c. Nomenclature Acides carboxyliques Formule développée ou semidéveloppée Nom ……………………………….. ……………………………….. ……………………………….. ……………………………….. Alcools 31 Nom …………..……. …………..……. Formule brute C2H6O Formule semidéveloppée Classe d'alcool CH3-CH2-OH ……………… ……………. ……………… …………..……………… ……………. ……………… Aldéhydes et Cétones Formule semi-développée Nom ………………………………… ………………………………… ………………………………… 32 ………………………………… Alcènes Formule semi-développée Nom ……………………………. ……………………………. ……………………………. ……………………………. 33 Les Esters Formule semi-développée Nom Méthanoate de Méthyle 2,2-diméthylpropanoate d’éthyle Ethanoate de 2méthylpropyle Les amines Formule semidéveloppée nom 34 ………………………………………………….. CH3-NH-CH3 ………………………………………………….. ………………………………………………….. ………………………………………………….. Les amides Formule semi-développée Nom ………………………………………. 35 ………………………………………. ………………………………………. III. Spectroscopie infrarouge (IR) a. définition La spectroscopie infrarouge (IR) est dans son principe ……………………..à la spectroscopie UV-visible. Les OEM interagissent avec les liaisons …………………… de la molécule. Pour cette raison la spectroscopie IR permet de repérer la présence de certaines …………………… et d'en déduire les …………………… caractéristiques présents dans la molécule. 36 b. Spectre IR d'une molécule Le nombre d'onde ……. d'une OEM est égal à l'inverse de sa longueur d'onde : ……………….. La transmittance ……… est égale au …………………. de l'intensité transmise I à travers la substance à analyser sur l'intensité I0 transmise par le solvant incolore. La transmittance n'a pas …………….., sa valeur est comprise entre ……. et ……... ………………. Le spectre IR d'une espèce chimique représente la transmittance T en ordonnée en fonction du nombre …………………. en abscisse. Généralement le nombre d'onde est exprimé en cm-1. Une transmittance de 100 % indique que l'IR n'est pas …………………... Lorsqu'un IR ou une bande d'IR est absorbé alors on 37 observe un ………… ou une bande d'absorption (transmittance faible) ………….. vers le bas. Exemple : Le spectre IR du méthanal possède plusieurs pics ……………………….. : - …… pics correspondant à la liaison entre le carbone et les 2 hydrogène (notée CH2 sur le spectre) - un pic correspondant à la ……………… liaison entre le carbone et l'oxygène. Sur le graphique sont indiqués les nombres d'onde correspondant aux absorptions les plus importantes donc aux ………………………… les plus faibles. c. Pourquoi l'espèce chimique absorbe les IR? 38 Les atomes de la molécule peuvent se déplacer dans toutes les ………………….. Par exemple les atomes du groupe CH2 peuvent……………….. de 6 manières différentes : étirements (stretching), symétrique et anti symétrique, cisaillement (scissoring), bascule (rocking), agitation hors du plan (wagging) et torsion (twisting). A chaque vibration correspond une ………………….. En. Lorsque les IR correspondant à cette énergie interagissent avec l'espèce chimique, ils sont ………………………, leur transmittance est alors faible. d. Bandes d'absorption caractéristiques On appelle une liaison chimique O-Hlié lorsqu'il existe des liaisons ……………………. et OHlibre lorsqu'il n'y a pas de …………….. ……………………... Les nombres d'ondes utiles à la recherche des groupes caractéristiques sont supérieurs à 1500 cm-1 (à part quelques exceptions comme pour la liaison C-O, voir tableau ci-dessous). Ceux inférieurs à 1500 cm-1 ne sont utiles que pour comparer les spectres. Tableaux de quelques bandes d'absorption avec l'intensité correspondante de l'absorption (F: forte, M: moyen) 39 Liaison Nombre d'onde (cm-1) Intensité O-Hlibre 3580 à 3650 F, fine O-Hlié 3200 à 3400 F, large N-H 3100 à 3500 M Ctri-H (carbone trigonal) 3000 à 3100 M Ctet-H (carbone tétragonal) 2800 à 3000 F C=Oester 1700 à 1740 F C=Oaldehyde_cétone 1650 à 1730 F C=Oacide 1680 à 1710 F C=C 1625 à 1685 M Ctet-H 1415 à 1470 F C-O 1050 à 1450 F Remarque : Plus la liaison est forte, plus le nombre d'onde d'absorption est ……………………….. 40 41 Pour les acides carboxyliques sous forme liquide, l'élargissement de la bande correspondant à la liaison O-Hlié provoque un ………………………………. avec la bande d'absorption Ctet-H. 42 IV. Spectroscopie RMN a. Principe La résonance ………………………………………………………. (RMN) est une technique qui permet d'identifier les atomes ………………………… d'une molécule ainsi que la nature et le nombre des atomes de leur environnement proche. b. Le spectre RMN Un spectre RMN est constitué d'un ensemble de signaux, constitués d'un ou plusieurs …………. fins. Chaque signal correspond à un atome ou groupe d'atomes ………………………... L'environnement de l'atome ou du groupe d'atome influe sur: - la position du signal, repérée en abscisse par une valeur appelée le déplacement chimique …….. Le déplacement chimique d'un atome d'hydrogène dépend des atomes présents dans son environnement. Son 43 unité est la ………… (partie par million). Il dépend de la fréquence de résonnance de l'atome d'hydrogène. - sa………………………….. (nombre de pics le composant) Une courbe d'intégration se superpose au spectre. Elle est constituée de ………………… successifs. c. Le déplacement chimique L'axe des déplacements chimique est orienté de ………………… à …………………, généralement de 0 à 15 ppm. A un déplacement chimique nul .....…………. correspond les hydrogènes du tétraméthylsilane (TMS): Cette substance est ………………………. à la substance à analyser. Chaque signal constitué d'un ou plusieurs pics traduit une …………………….. d'énergie par les protons. Ceux- ci entrent alors en résonnance. 44 d. Les protons équivalents Dans le cas des molécules simples les protons sont dit équivalents (ils ne donnent qu'un ………….. signal sur le spectre). Exemples: - dans la molécule de méthoxyméthane CH3-O-CH3 il y a une ……………………. ; tous les atomes d'hydrogène sont ……………………….. Le spectre RMN ne sera constitué que ……….. ………….. signal. - Dans la molécule de pentan-3-one CH3-CH2-CO-CH2-CH3, il y a une symétrie. Les …… protons liés aux carbones situés aux extrémités sont équivalents. Les ……. protons liés aux carbones situés de part et d'autre de la liaison …………………. sont équivalents. Le spectre RMN sera constitué de ………. signaux. 45 e. Multiplicité du signal: explication du nombre de pics dans un signal Dans une molécule les protons liés à un atome de carbone interagissent avec les protons portés par les atomes de carbone voisins : il y a …………………. entre les atomes (les protons équivalents ne se couplent pas). Un proton ou un groupe de protons équivalents ayant n protons équivalents voisins (porté par des …………………….. voisins) donne un signal constitué de (n+1) pics appelé ………………. Exemple: spectre de l'éthanol ………………………… - l'hydrogène lié à l'atome d'oxygène forme 1 seul pic c'est un ………………... En effet il n'est pas lié à un atome de …………………. - les protons du groupe CH3 sont équivalents. Ils ont n = …… protons équivalents voisins, ils donnent un signal constitué de n+1 = ……. pics appelés …………………. - les protons du groupe CH2 sont équivalents. Ils ont n = …… protons équivalents voisins, ils donnent un signal constitué de ……………………… pics appelé ……………………. Les protons non liés à des atomes de ……………… ne donnent qu'un seul pic (1 singulet). Il s'agit des protons des groupes hydroxyle ………, carboxyle ………….., …………………. -NH2 ou NH 46 f. Intégration du signal: déterminer le nombre de protons équivalents On superpose parfois sur les spectres une courbe ……………………. Elle est constituée de …………….. successifs. La hauteur séparant deux paliers successifs est ………………………….. au nombre de protons qui résonnent. - Prenons l'exemple du 2,2-diméthylpropanol. Dans le groupement OH il y a un proton h1 =1; dans le groupement CH2 il y a …….. protons équivalents qui résonnent donc h2 = 2.h1 = 2; dans le groupement C(CH3) il y a ……… protons équivalents qui résonnent donc h3 = …...h1 = …….. 47
