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Identifier des groupes caractéristiques par spectroscopie infrarouge

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Objectif

Identifier des groupes caractéristiques par spectroscopie infrarouge (IR).

Points clés

La spectroscopie IR permet d’identifier des molécules, de tester la présence de molécules dans un échantillon, ou peut servir dans le cadre d’un dosage.
Le spectre IR d’un échantillon indique la transmittance en fonction du nombre d’onde : la transmittance correspond à la proportion de rayonnement qui traverse cet échantillon sans être absorbé, et le nombre d’onde est lié à la fréquence de résonance d’une liaison chimique.
La fréquence d’un rayonnement dépend du type de liaison (simple ou multiple), de la masse des atomes concernés (légers ou lourds) et de l’emplacement de la liaison dans la molécule (liaison impliquée dans tel ou tel groupe caractéristique).

Pour bien comprendre

Les groupes caractéristiques
La liaison chimique
La formule développée

1. La spectroscopie infrarouge

a. Oscillation d'une liaison chimique

Une liaison chimique entre deux atomes peut être vue comme un ressort, où les atomes sont assimilés à des masses accrochées à ses extrémités.

Ce système présente une fréquence d’oscillation qui lui est propre, dite fréquence de résonance. La liaison peut ainsi vibrer lorsqu’elle est frappée par une radiation électromagnétique, dont la fréquence correspond à sa fréquence de résonance, et absorber ainsi la radiation.

Chaque type de liaison (C — C, C — H, C — O, etc.) possède une fréquence de résonance qui lui est spécifique.

Les liaisons ont plusieurs manières de vibrer. On recense deux modes de vibration principaux : l’allongement et la déformation.

Vibration des liaisons moléculaires

Pour les liaisons chimiques, ces fréquences se situent dans l’infrarouge (IR).

b. Principe et objectifs d'une spectroscopie IR

Le principe d’une spectroscopie IR est donc d’envoyer des radiations IR sur un échantillon à tester.

Certaines longueurs d’onde sont alors absorbées par les liaisons chimiques des molécules qui se trouvent dans l’échantillon.

On génère alors un spectre IR. Les bandes d’absorption présentes permettent de déterminer quelles sont ces liaisons chimiques.

Remarque
Une spectroscopie infrarouge peut avoir différentes finalités :

tester la présence ou l’absence d’une molécule dans un échantillon ;
identifier les groupes caractéristiques dans une molécule.

2. Représentation d'un spectre IR

Un spectre IR met en jeu deux grandeurs : la transmittance T et le nombre d’onde σ.

a. La transmittance

Pour chaque longueur d’onde, l’intensité I transmise par l’échantillon est comparée à l’intensité incidente I₀, afin d’en déduire la transmittance .

La transmittance d’un échantillon exprime la proportion de rayonnement qui traverse cet échantillon sans être absorbé.

On l’exprime en pourcent.

b. Le nombre d'onde

Pour établir le spectre, au lieu de la longueur d’onde λ, il est courant de manipuler le nombre d’onde σ.

Le nombre d’onde correspond à la quantité d’ondes qui sont présentes dans une longueur d’onde donnée.

c. Le spectre IR

Le spectre IR représente la transmittance T en fonction du nombre d’onde σ.

L’axe des abscisses, associé à σ, est orienté de droite à gauche.

Exemple

Spectre IR de l’acide éthanoïque

Remarque
Les fortes baisses localisées de la transmittance, pour certains nombres d’onde, correspondent à l’absorption des liaisons chimiques. Ces baisses sont nommées bandes d’absorption.

3. Identifier un groupe caractéristique

On appelle groupe caractéristique (ou groupe fonctionnel) un groupement d’atomes qui donne une propriété particulière à une molécule.

Le groupe caractéristique permet de classer les molécules en familles : les alcools, les aldéhydes, les cétones et les acides carboxyliques.

Lors d’une spectroscopie IR, une liaison chimique impliquée dans un groupe caractéristique présente une bande d’absorption pour un nombre d’onde déterminé.

Remarque
Cette bande d’absorption correspond à une baisse de la transmittance. Elle se manifeste par un pic vers le bas dans le spectre IR de la molécule.

Le tableau ci-dessous est une table de la spectroscopie IR : il répertorie quelques groupes caractéristiques en précisant le nombre d’onde d’absorption pour les liaisons concernées.

Groupe caractéristique	Famille associée (ou fonction)	Formule semi-développée du groupe caractéristique	Nombre d’onde d’absorption des liaisons chimiques associées
Hydroxyle	Alcool		σ_O–H = 3200 – 3450 cm⁻¹
Carbonyle	Aldéhyde		σ_C=O = 1700 – 1740 cm⁻¹ σ_C_–_H = 2650 – 2900 cm⁻¹ σ_H_–_C=O = 2700 – 2850 cm⁻¹
Carbonyle	Cétone		σ_C=O = 1700 – 1725 cm⁻¹ σ_C_–_H = 2650 – 2900 cm⁻¹
Carboxyle	Acide carboxylique		σ_C=O = 1740 – 1800 cm⁻¹ σ_O_–_H = 2500 – 3300 cm⁻¹

Remarque
Ces valeurs de référence ne sont pas à connaitre, elles sont fournies par l’énoncé.

4. Exploiter un spectre IR

On dispose d’un spectre d’absorption IR d’une molécule et on cherche à identifier ses groupes caractéristiques.

Il faut s’appuyer sur les tables de la spectroscopie infrarouge, qui contiennent les nombres d’onde associés aux groupes caractéristiques des différents molécules (voir partie 3.).

On peut ainsi exploiter un spectre à l’aide de ces tables, en suivant la méthode suivante.

Étape 1 : Lire le spectre d’absorption.

Sur le spectre, on identifie la valeur du nombre d’onde associé à chacune des bandes d’absorption, pour des nombres d’onde supérieurs à 1500 cm⁻¹.

Remarque
Les nombres d’ondes situés avant 1500 cm⁻¹ correspondent à une zone très riche en bandes d’absorptions. Cet interval constitue ainsi l’empreinte digitale de la molécule et n’est pas exploitable pour l’identification de groupes caractéristiques dans une molécule.

Étape 2 : Utiliser les tables.

On associe chaque nombre d’onde trouvé à la liaison qui correspond dans les tables.

Étape 3 : Conclure.

On conclut quant à la présence d’un groupe caractéristique présent dans cette molécule.

Exemple
On souhaite exploiter ce spectre d’absorption IR pour identifier les groupes caractéristiques présents dans cette molécule.

Spectre IR

Donnée : Table pour la spectroscopie IR (voir partie 3.)

On identifie 3 bandes d’absorption sur ce spectre d’absorption qui sont supérieures à 1500 cm⁻¹. Chaque bande d’absorption est associée la valeur de nombre d’onde suivante : σ₁ = 1740 cm⁻¹ et σ₂ = 3100 cm⁻¹.
D’après les tables :
- σ₁ correspond à la liaison C = O de l’acide carboxylique ;
- σ₂ correspond à la liaison O — H de l’acide carboxylique.
On peut donc conclure que cette molécule appartient à la famille des acides carboxyliques.