Lycée Joliot Curie à 7 PHYSIQUE - Chapitre V Classe de Ter S Thème : Observer Cours n 5 «Spectroscopie UV-visible et IR» La détermination de la structure d'une molécule ne peut être basée sur l'observation de celle-ci. En effet, il n'existe pas encore de dispositif permettant d'observer des "objets" aussi petits. C'est l'analyse spectrale, c'est à dire l'étude de l'interaction, qui permet d'en déterminer la structure. I Les familles en chimie organique : Les molécules organiques sont constituées d une chaine d atomes de carbone reliés entre eux par des liaisons simples doubles ou triples, sur laquelle sont fixés d autres atomes ou groupes d atomes. Certains de ces groupes d atomes donnent aux molécules des propriétés physiques ou chimiques analogues ; on parle de. Certaines de ces familles comme les esters, alcools, cétones, aldéhydes, acides carboxyliques, amides ou amines présentent des reconnaissables dans leur formule par. Pour associer un nom correspondant à la formule de chaque molécule d une famille, on utilise la. Ce nom se compose d une issue de la famille des alcanes et d une qui indique la famille chimique de la molécule. Remarque : on ne considère pas comme organique : le carbone C (graphite ou diamant), le CO, CO 2, CaCO 3 qui sont des molécules qui entrent dans le domaine de la chimie minérale. 1- Rappels de première S : En classe de première S les notions de familles chimiques et de groupes caractéristiques ont été abordées avec les alcanes, les alcools, les aldéhydes et cétones et les acides carboxyliques. De nouvelles familles vont être présentées cette année :. Les différentes formules pour représenter une molécule : formule brute, formule développée, formule semi-développée, formule topologique. C 6 H 12 La formule topologique est utilisée pour simplifier les écritures des molécules organiques. Dans la formule topologique d une molécule organique : - la chaine carbonée est représentée par une ligne brisée ; - seuls, les atomes autres que ceux de carbone et d hydrogène sont écrits, ainsi que les atomes d hydrogène liés à ces atomes. Les doubles liaisons sont représentées par un double trait. 1
2- Alcanes et alcènes: a- Les alcanes : Molécules composées de carbone et d hydrogène à chaine ouverte, linéaire ou ramifiée dont la formule brute est. Ces hydrocarbures ne comportent que des liaisons simple C C. Leur nom doit être connu car on va utiliser l utiliser pour nommer les molécules organiques (en gras) pour nommer les composés oxygénés. Les 4 premiers possède un nom d usage qui est à connaitre : Méthane Éthane Propane Butane Pentane A connaître CH 4 C 2 H 6 C 3 H 8 C 4 H 10 C 5 H 12 par coeur hexane heptane octane nonane décane undécane dodécane C 6 H 14 C 7 H 16 C 8 H 18 C 9 H 20 C 10 H 22 C 11 H 24 C 12 H 26 Une ramification est un groupement notés R - qui se trouve sur la chaine carbonée la plus longue CH 3 - :méthyle CH 3 -CH 2 - : éthyle CH 3 -CH 2 -CH 2 - : propyle CH 3 -CH 2 -CH 2 - CH 2 - : butyle La nomenclature des alcanes est à voir avec l activité 1 b- Les alcènes : Les alcènes sont des hydrocarbures, comme les alcanes, mais possèdent une double liaison C = C. Les alcènes non cycliques ont pour formule brute Leur nomenclature est proche de celle des alcanes : - on cherche la chaine carbonée la plus longue contenant la double liaison. - on numérote la chaine de façon à ce que le premier carbone de la double liaison porte le plus petit numéro. - on repère les éventuelles ramifications qui viendront en préfixe du nom. - le nom de l'alcène est ensuite obtenu en remplaçant la terminaison "ane" de l'alcane correspondant par "ène" précédée du numéro indiquant la position de la double liaison (numéro du premier carbone engagée dans la double liaison). 2-Alcools: - Un alcool est un composé organique possédant un groupe hydroxyle relié à un atome de carbone tétragonal, appelé carbone. Remarque: un atome de carbone tétragonal réalise toujours 4 liaisons covalentes simples. Le nom d'un alcool dérive de celui de l'alcane correspondant, en remplaçant le "e" final par la terminaison "ol", précédée du plus petit indice de position du groupe sur la chaîne carbonée principale. 3- Aldéhydes et cétones : Aldéhydes et cétones sont des composés organiques possédant un groupe relié respectivement: - à zéro ou un atome de carbone (aldéhyde) - deux atomes de carbone (cétone) Formule générale des aldéhydes Formule générale des cétones - Le nom d'un aldéhyde dérive de celui de l'alcane correspondant, en remplaçant le "e" final par la terminaison " ". - Le nom d'une cétone dérive de celui de l'alcane correspondant, en remplaçant le "e" final par la terminaison " ", précédée du plus petit indice de position du groupe carbonyle sur la chaîne carbonée. 2
4- Acides carboxyliques : Un acide carboxylique est un composé organique possédant un groupe Formule générale Le nom d'un acide carboxylique dérive de celui de l'alcane correspondant, en remplaçant le "e" final par la terminaison 5- Les amines : Les amines sont une famille de molécules ayant bien souvent une odeur nauséabonde qui sont, pour la plupart, très toxiques (elles ne peuvent être utilisées en lycée). Il s'agit de molécules possédant le groupe. La détermination du nom d'une amine est similaire à celle d'un alcool : la terminaison est remplacé par la terminaison 4- Les amides : Les amides sont des dérivés d'acides carboxyliques : il comporte le groupe amide Leur formule est du type : dans laquelle l'atome d'azote peut être lié à atomes d'hydrogène. Nous nous contenterons de nommer les amides les plus simples, c'est à dire ceux qui comportent un groupe NH 2 La construction du nom est simple et similaire à celle d'un aldéhyde. Vous devez suivre la même procédure que pour l'aldéhyde mais en remplaçant la terminaison par. 5-les esters : Les esters sont des molécules très odorantes qui sont, la plupart du temps, utilisées en parfumerie ou dans l'industrie agroalimentaire : ils comportent le groupe ester : Leur formule est du type : Leur nom est constitué de deux termes : - le premier dérive du nom de l'acide carboxylique correspondant à la chaine carbonée liée à l'atome de carbone du groupe caractéristique. La terminaison est remplacée par. - le second terme correspond au groupe alkyle lié à l'atome d'oxygène du groupe caractéristique. Voir annexe 1 pour des exemples II- Comment les chimistes utilisent les ondes pour caractériser des atomes, des molécules? Après avoir isolé un corps pur d un mélange naturel ou synthétique, le chimiste possède plusieurs techniques pour l analyser. Les méthodes physiques sont des méthodes rapides qui nécessitent peu de matière. En contrepartie, elles utilisent un matériel sophistiqué et généralement couteux. Ce sont essentiellement des méthodes spectroscopiques. La spectroscopie d absorption est l étude des interactions entre des OEM et la matière. L absorption d OEM par une molécule introduit des «modifications» très rapides de la molécule (le terme exact est transition) et différentes selon la longueur d onde de l onde. On distingue : - La Spectroscopie moléculaire : infrarouge-visible-ultraviolet permettant de déterminer les. - La Spectroscopie RMN (résonance magnétique nucléaire) qui permet de localiser les hydrogènes (Grâce à leur moment magnétique de spin nucléaire), c'est-à-dire la structure du. 1- Spectroscopie d absorption UV-visible: a- Le principe : Lorsque la lumière traverse une solution, elle est en partie absorbée et en partie transmise. Cette absorption d énergie dans l UV-visible correspond à une transition électronique, c est-à-dire au passage d un électron d un niveau d énergie plus faible à un niveau plus élevé. 3
b- Spectre UV-visible : Le spectrophotomètre mesure l'absorbance A (grandeur sans unité) qui se définit par : Elle est comprise entre 0 (pas d absorption : solution incolore) et l infini (absorption totale : solution noire). Remarque : Le rapport T= I/I0 est appelé Cette absorbance est liée à la concentration c d une solution qui ne contient qu une seule espèce, par la loi de Beer Lambert : A = k.c Dans le détail, la constante k dépend : L absorbance s écrit - de A(λ) = (λ).c.l - du, avec k= (λ).l - et avec coefficient d'absorption molaire qui dépend du solvant de la température et de la longueur d'onde unité de Remarque :si la solution contient n espèces A Voir annexe 2 pour l exploitation d un spectre UV- visible 2- Spectroscopie d absorption infrarouge a- Principe La spectroscopie infrarouge (IR) est dans son principe identique à la spectroscopie UV-visible. Le domaine de longueur d'onde utilisé est (2500 nm - 25000 nm). Les OEM (onde électromagnétique) interagissent avec les liaisons covalentes de la molécule (leur mode de vibration). Pour cette raison la spectroscopie IR permet de repérer la présence de certaines liaisons et d'en déduire les groupes caractéristiques présents dans la molécule. b- Le spectre IR : En ordonnée figure la transmittance T = Une transmittance de 100 % signifie qu il n y a pas d absorption (A = ). Lorsqu il y a absorption la transmittance diminue. C est la raison pour laquelle les bandes d absorption pointent vers le bas. En abscisse, La grandeur représentée en abscisses est le qui est l inverse de la longueur d onde : 4
c- Pourquoi l'espèce chimique absorbe les IR? Les atomes de la molécule peuvent se déplacer dans toutes les directions. Par exemple les atomes du groupe CH 2 peuvent vibrer de 6 manières différentes : A chaque vibration correspond une énergie En. Lorsque les IR correspondant à cette énergie interagissent avec l'espèce chimique, ils sont absorbés, leur transmittance est alors. d- Interprétation d un spectre IR : Voir annexe 3 L intéraction d une liaison avec le rayonnement OEM se traduit par une caractéristique sur le spectre. On distingue deux domaines sur un spectre : La région pour faibles valeurs de ( <1500 cm -1 ), qui est caractéristique du composé et des fonctions présentes est appelée "empreinte digitale". Dans cette zone, il est en général difficile d attribuer les pics observés à des groupes d atomes. Cette zone permettra de comparer le spectre avec un ou des spectres de référence. La région qui correspond aux grandes valeurs de (4000-1500 cm -1 ) où apparaissent les bandes caractéristiques de certaines liaisons, par exemple C=O, C=C, C-H, O-H, N-H qui permet l identification de groupes caractéristiques. Dans cette zone chaque bande d absorption dont le nombre d onde se trouve dans les plages ci-dessous et dans des tables de référence est caractéritique d un type de liaison chimique. Pour déterminer les groupes caractéristiques il faut : en utilisant cette figure repérer les liaisons chimiques grâce à leurs nombres d onde, rechercher les possédant ces liaisons. Comme certaines liaisons appartiennent à plusieurs groupes, il faut en utilisant les tables : vérifier que toutes les bandes caractéristiques des retenus sont présentes sur le spectre, utiliser les valeurs précises des nombres d onde pour départager 2 groupes. e- Cas particulier de la liaison hydrogène : Lorsqu'il y a présence de liaisons hydrogène, l'allure du spectre est modifiée. En effet, on observe dans ce cas une bande très large et de très forte absorption autour de 3300 cm -1. Pour un alcool très dilué, en phase gazeuse par exemple, la bande d'absorption due à la liaison O H est fine et se situe vers 3600 cm -1. En phase plus condensée (liquide par exemple), il existe des liaisons hydrogène entre les molécules d'alcool et cette bande est recouverte par la bande large due à la liaison hydrogène. C'est une des raisons pour lesquelles il est important de bien sécher les composés avant de les passer au spectro IR afin d'éliminer toutes traces d'eau car celle-ci engendrerai l'apparition de la bande caractéristique de la liaison H dans le spectre qui pourrait masquer d'autres bandes d'absorption. Voir annexe 4 pour deux études de spectre IR Schéma d'une liaison hydrogène entre deux molécules d'eau. 5