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Thème1 - new

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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
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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
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