TP Chimie théorique OK - ORBi

C HIMIE THÉORIQUE ET PHYSIQUE APPLIQUÉE À
L’ANALYSE STRUCTURALE DES BIOMOLÉCULES (CG 204)
Prof. B. Wathelet
U NITÉ DE CHIMIE B IOLOGIQUE INDUSTRIELLE
Prof. M. Paquot
N OTES DE TRAVAUX PRATIQUES
Ir. S. Gillet
Dr. A. Richel

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Remarque préliminaire
Ces notes de cours sont destinées aux étudiants de l’Université de Liège-Gembloux Agro-Bio Tech.
Elles servent à l’apprentissage des méthodes spectroscopiques et constituent un support et une
illustration pour l’étude de la « Chimie Théorique et Physique appliquée à l’analyse structurale des
biomolécules » (B. Wathelet).
Par ailleurs, ces notes sont exploitées comme base de données pour l’interprétation des spectres.
Ces notes de cours sont donc volontairement inspirées de la littérature et notamment des ouvrages
suivants :
- Silverstein, Webster, Kiemle. Identification spectrométrique de composés organiques 2
ème
édition. De boeck université 2007. 502P.
- Skoog, Holler, Nieman. Principes d’analyse instrumentale 1ère édition. De boeck université
2003. 956P.
- Rouessac, Rouessac. analyse chimique – méthodes et techniques instrumentales modernes
5ème édition. Dunod 2000. 430P.
- Cours de chimie Organique - G. Dupuis France
- Chim 1302. Prof. R. Giasson. Université de Monttréal .
Ces notes en format pdf ne sont pas destinées à être diffusées.
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TP de chimie théorique et physique
S. Gillet - 3 - IR
CHAPITRE 1. LA SPÉCTROMÉTRIE INFRAROUGE (IR)

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S. Gillet - 4 - IR
1. I NTRODUCTION
La spectrométrie est l’étude des rayonnements électromagnétiques émis, absorbés ou
diffusés par la matière.
Les rayonnements électromagnétiques émis ou absorbés par les atomes et les molécules
s’étendent des rayons X jusqu’aux ondes hertziennes, en passant par l’ultraviolet, le visible et
l’infrarouge (figure 1).
Figure 1: le spectre électromagnétique
La grandeur caractéristique de chaque radiation est la fréquence υ, exprimée en hertz.
Les grandeurs suivantes, qui se déduisent de la fréquence, sont également utilisées : la
longueur d’onde dans le vide λ = c/υ, où c est la vitesse de propagation dans le vide ; le
nombre d’onde
ν
~
= 1/λ , exprimé en cm
-1
; l’énergie h υ du photon associé à l’onde, exprimé
en électronvolts (1 eV = 1,6 . 10
-19
J).
Il existe plusieurs principes de subdivision du spectre électromagnétique selon la
propriété étudiée (spectres d’émission, d’absorption, de réflexion de diffusion…), selon
l’origine de sa production et le mécanisme mis en jeu (spectre atomique, moléculaire,
électronique, de vibration, de rotation…), d’après son aspect (spectre de raies, de bandes,
continu).

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S. Gillet - 5 - IR
Selon la mécanique quantique, chaque atome ou chaque molécule peut être caractérisé
par une suite discontinue d’états d’énergie, qui vont de l’état fondamental E jusqu’aux
niveaux excités E
e
. Le mécanisme fondamental de l’émission et de l’absorption d’un
rayonnement est celui qui a été décrit par Bohr. Lors d’une transition énergétique entre deux
états E
m
et E
n
, il y a émission ou absorption d’une radiation de fréquence υ telle que la
variation d’énergie du système : ∆E = hυ = hc/λ.
Le spectre électromagnétique d’une espèce chimique correspond donc aux transitions
permises entre les différents niveaux énergétiques.
1.1. L ES SPECTRES ATOMIQUES
En mécanique quantique, l’énergie de l’électron lié au noyau atomique est définie à
l’aide de quatre nombres quantiques : n, l, m, s. Pour chaque atome, les spectroscopistes ont
établi les diagrammes des différents niveaux d’énergie et les transitions possibles
correspondant aux fréquences des radiations émises ou absorbées. Ainsi, on distingue
habituellement les spectres optiques des spectres de rayon X. Les premiers correspondent à
des transitions entre les niveaux d’énergie possibles des électrons de valence (les plus
éloignés du noyau) qui interviennent dans les réactions chimiques. Les radiations émises vont
en général du domaine de l’ultraviolet à celui du proche infrarouge. Les rayons X sont
produits par des transitions qui intéressent les électrons proches du noyau.
1.2. L ES SPECTRES MOLÉCULAIRES
A l’état de vapeur, les molécules, comme les atomes, ont des spectres constitués de
fréquences distinctes mais les raies spectrales sont beaucoup plus nombreuses et dans
certaines régions du spectre, elles forment des groupes ou bandes. Les niveaux énergétiques
quantifiés caractéristiques d’une molécule dépendent des états énergétiques des électrons, de
l’énergie de vibration de ses atomes les uns par rapport aux autres, et aussi de l’énergie de
rotation des groupes d’atomes par rapport aux axes de symétrie ou de rotation de cette
molécule. On peut considérer, sans tenir compte de l’énergie de translation, qu’un niveau
énergétique E d’une molécule résulte de la somme de trois termes, son énergie électronique
(E
e
), son énergie de vibration (E
z
), son énergie de rotation (E
r
) : E = E
e
+ E
z
+ E
r
.
Mais une transition ne correspond pas nécessairement à une variation des trois sortes
d’énergie. Trois types de spectres peuvent être distingués : les spectres de rotation pure, les