Chapitre 4 analyse spec eleve

Chapitre 4
Analyse Spectrale - UV visible- IR
I. Les molécules organiques - rappels
Considérons la molécule d’acide 4-hydroxybutanoïque de
:
C4 H8 O3
de cette molécule s’écrit :
La
s’écrit :
La formule
ou
La
est une manière de représenter très rapidement une molécule organique.
Dans une formule topologique :



Ainsi, l’acide 4-hydroxybutanoïque a pour formule topologique :
II. Nomenclature
1) Alcanes et alcènes
Les alcanes et les alcènes sont des molécules organiques appelées hydrocarbures car exclusivement
formées par du carbone et de l’hydrogène.
Les alcanes sont des hydrocarbures saturés car ils ne contiennent que des liaisons simples
Les alcènes sont des hydrocarbures insaturés (présence de liaisons multiples) car ils contiennent une
liaison double.
Partie I – Chap. 4 : Analyse spectrale
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Nomenclature :
Préfixe
Groupe alkyle
Terminaison : -yle
Alcane linéaire
Terminaison : -ane
Formule générale : CnH2n+2
Alcène linéaire
Terminaison : -ène
Formule générale : CnH2n
n = 1 Meth…
Méthyle CH3 –
Méthane CH4
n = 2 Eth…
Ethyle CH3 – CH2 –
Ethane CH3 – CH3
Ethène (ou éthylène) CH2 = CH2
n = 3 Prop…
Propyle C3H7 –
Propane CH3 – CH2 – CH3
Propène (ou propylène) CH2 = CH – CH3
n = 4 But…
Butyle C4H9 –
Butane C4H10
But-1-ène CH2 = CH – CH2 – CH3
Z ou E But-2-ène CH3 – CH = CH – CH3
n = 5 Pent…
Pentyle C5H11 –
Pentane C5H12
Pentène C5H10
n = 6 Hex…
Hexyle C6H13 –
Hexane C6H14
Hexène C6H12
n = 7 Hept…
Heptyle C7H15 –
Heptane C7H16
Heptène C7H14
n = 8 Oct…
Octyle C8H17 –
Octane C8H18
Octène C8H16
n = 9 Non…
Nonyle C9H19 –
Nonane C9H20
Nonène C9H18
n = 10 Déc…
Décyle C10H21 –
Décane C10H22
Décène C10H20
Exemples :
CH3
H2C
H3C
1
5
4
HC
4
5 2
3
4
3
CH
2
HC
CH2
CH2
H3C
1
5
4
1
CH3
3
CH
2
6
6
CH3
3
2
5
CH3
1
C
CH3
CH3
2)
Groupes caractéristiques et nomenclature
a. Les alcools :
Terminaison –ol
Groupe fonctionnel : hydroxyle – OH
Exemples :
H
4
O
1
2
3
H3C
H3C
CH3
3
C
2
CH2
1
CH2
OH
Carbone fonctionnel : atome de carbone de la chaine carbonée qui porte le groupe fonctionnel.
Alcool primaire : carbone fonctionnel lié à un autre atome de carbone.
Alcool secondaire : carbone fonctionnel lié à deux autres atomes de carbone.
Partie I – Chap. 4 : Analyse spectrale
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Alcool tertiaire : carbone fonctionnel lié à trois autres atomes de carbone.
b. Les aldéhydes et les cétones :
Terminaison aldéhyde –al Terminaison cétone : –one
Groupe fonctionnel : carbonyle
O
C
H
Exemples :
O
Aldéhyde
H3C
C
CH3
H
H3C
Cétone
O
C
CH2
O
CH3
c. - Les acides carboxyliques :
Terminaison –oïque
Groupe fonctionnel : carboxyle
O
H
C
O
H
Exemples :
H
H
O
O
C
H
C
O
H
O
H
d. - Les esters :
O
Terminaison –oate de –yle
Groupe fonctionnel : ester
H
C
O
O
Exemples :
CH3
O
H
CH3
C
O
O
CH2
e. - Les amines :
Terminaison –amine
Groupe fonctionnel : amine
H
H
Exemples :
H3C
N
H
CH3
NH2
CH
CH
CH2
NH
CH2
CH3
Partie I – Chap. 4 : Analyse spectrale
H3C
CH3
HC
N
CH3
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f.
- Les amides :
O
Terminaison –amide
Groupe fonctionnel : amide
H
C
N
Exemples :
H
H
O
O
H3C
N
C
H
N
H
CH3
H
III. Spectroscopie UV - Visible
1) Principe
Le spectrophotomètre fait passer une radiation (lumière) monochromatique (une seule longueur d'onde) à travers une
longueur L (longueur de la cuve) de solution et mesure l'absorbance A (grandeur liée à la quantité de lumière absorbée
par la solution). L'absorbance dépend de la couleur de la radiation, de sa longueur d'onde l .
Soit I0 l'intensité de la lumière incidente et I l'intensité de la lumière transmise.
Le spectrophotomètre compare I et I0 à travers soit la transmittance T ( T = I / I0 ) ou l'absorbance
A = - Log T. (les 2 mesures sont possibles).
Cuve contenant la
solution colorée
Faisceau incident
d’intensité I0
Faisceau transmis
d’intensité I
 Figure 1
On définit alors :

la transmittance :

l’absorbance (sans unité) :
2) Mise en œuvre
On trace tout d'abord le spectre d'absorption A = f( λ ) afin de déterminer le maximum d'absorption λ max. Cette longueur
d'onde lmax est directement liée à la substance étudiée et à sa couleur éventuelle.
Figure 2

A = f()
A
L’absorption
par le milieu
dépend de la
longueur
d’onde de la
lumière qui le
traverse
 (nm)
400
Partie I – Chap. 4 : Analyse spectrale
500
600
max
700
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Chaque longueur d’onde de la lumière incidente va être
plus ou moins arrêtée par l’espèce dissoute (figure 2)
A noter :
Plus une molécule organique possède de doubles liaisons
conjuguées plus son maximum d’absorption est décalé vers
les grandes longueurs d’onde.
Ainsi, les molécules organiques possédant plus de 6 doubles
liaisons conjuguées absorbe dans le visible ( max > 400 nm)
Dans le cas d’une espèce incolore en solution (eau
sucrée par exemple), A = 0 quelque soit visible (fig. 3)
 Figure 3
A

200
400
600
800
Spectre
d’une espèce
incolore
9 liaisons conjuguées :
(max = 480 nm)
Le spectre d’une espèce dissoute dans un solvant donnée contient une ou plusieurs larges bandes d’absorption.
Lorsqu’une espèce chimique absorbe dans un seul domaine de longueur d’onde,
sa couleur en solution est la couleur complémentaire de celle absorbée.
Si l’espèce absorbe dans plusieurs domaines, sa couleur résulte de la synthèse
additive des couleurs complémentaires de celles des radiations absorbées.
Chaque bande est caractérisée par :

L’abscisse max de son maximum d’absorption

La valeur du coefficient d’absorption molaire
 (epsilon) de l’espèce
pour max
Le coefficient d’absorption molaire  caractérise la capacité qu’a une espèce
donnée à absorber la lumière d’une longueur d’onde donnée.
 Figure 4 : Roue des couleurs
Questions :
a)
Quelle est la couleur probable de la solution analysée à la figure 2 ?
b)
Si pour une longueur d’onde de 670 nm l’intensité transmise est nulle, déterminer la valeur de la transmittance.
c)
Si l’espèce dissoute dans la cuve n’absorbe pas du tout l’intensité lumineuse pour  = 405 nm, déterminer la
valeur de l’intensité transmise I.
3) dosage par étalonnage
On peut ensuite effectuer une détermination de concentration de la substance en effectuant un dosage par étalonnage.
On réalise alors plusieurs solutions de concentration connues pour lesquelles on détermine l'absorbance A , à la valeur
de λ max . On trace la courbe d’étalonnage, A en fonction de C. En mesurant l’absorbance AS d’une solution inconnue
et en la reportant sur la courbe, on détermine la concentration CS de la solution inconnue.
L’absorbance A est proportionnelle à la concentration de la solution selon la Loi de Beer-Lambert
A : absorbance de la solution (sans unité)
L : longueur de la solution traversée par la lumière (en cm)
C : concentration de la solution (en mol.L-1)
 : coefficient d'extinction molaire (en L.mol-1.cm-1)
Partie I – Chap. 4 : Analyse spectrale
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IV. Spectroscopie infrarouge (IR)
(même principe, les atomes bougent élongation, déformation...à des fréquences déterminées. Pour
une freq, la lu IR est absorbée, les liaisons entrent en résonance.)
Les spectres IR présentent généralement :
le nombre d’onde  (sigma) en abscisse avec :
la transmittance T en ordonnée.
(ou parfois l’absorbance A)
Figure 5

Transmittance
Spectre I.R. de
l’hexan-1-ol
Empreinte
digitale
L’axe des abscisses
est orienté vers la
gauche !
Nombre d’onde 
Chaque bande d’absorption est associée à un type de liaison, principalement caractérisé par les deux atomes
liés et par la multiplicité de la liaison.
Analyse du spectre :

De 400 à 1500 cm – 1 la zone se nomme empreinte digitale de la molécule. Cette zone n’est exploitée qu’en
comparaison avec un spectre de référence.

De 1500 à 4000 cm – 1, on observe des pics vers le bas de largeur et d’intensité variable. Cette zone permet
d’identifier la présence de certains types de liaison de la molécule et d’en déduire la nature des groupes
caractéristiques (alcool, aldéhyde, …)
Type de liaison
Nombre d’onde (cm – 1)
Largeur de bande
Intensité d’absorption
O – H en phase gazeuse
3500 à 3700
Fine
Moyenne
O – H en phase condensée
3200 à 3400
Large
Forte
N – H en phase gazeuse
3300 à 3500
Fine
Faible
N – H en phase condensée
3100 à 3300
Large
Forte
C – H (C trigonal)
3000 à 3100
Large
Moyenne à forte
C – H (C tétragonal)
2800 à 3000
Large
Forte
C=O
1700 à 1800
Fine
Forte
C–C
1100 à 1200
Variable
Très faible
C=C
1500 à 1700
Variable
Moyenne à forte
Partie I – Chap. 4 : Analyse spectrale
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A noter :
Les liaisons hydrogène qui apparaissent en phase condensée
(solide ou liquide) entre les molécules possédant une liaison O – H se
manifestent sur le spectre par une bande large et forte et de nombre
d’onde inférieur à celui de la liaison O – H.
Cette nouvelle bande recouvre souvent
complètement la bande fine et moyenne
de la liaison O – H
Figure 6

Spectre du haut :
phase condensée
Spectre du bas :
phase gazeuse
Partie I – Chap. 4 : Analyse spectrale
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