Détection d’ondes électromagnétiques (aujourd’hui, la lumière et les IR) Mise en œuvre et utilisation de dispositifs utilisant des détecteurs et récepteurs d’ondes EM Document introductif : La photodiode C’est un composant électronique (cet adjectif évoque quelque chose ?) qui peut transformer un signal (courant) électrique qui la traverse en ondes E.M. ; elle joue alors le rôle d’émetteur. Inversement elle peut transformer un rayonnement reçu en signal électrique (courant ou tension), elle est alors récepteur. Exemples d’utilisation des photodiodes : dans les thermomètres électroniques, les capteurs CCD des caméras dites thermiques, les télécommandes ou encore les spectrophotomètres IR utilisés dans les laboratoires d’analyse en chimie. Les différentes photodiodes diffèrent selon le domaine du spectre E.M. pour lequel elles offrent un maximum de sensibilité. Nous travaillerons avec la photodiode BPW34 sensible aux rayonnements E.M. Entre 400 et 1100 nm ; max vers 900 nm. Ce composant devient vraiment intéressant dans le fait que l’intensité du courant circulant dans une photodiode est proportionnelle à l’intensité de la radiation qui l’éclaire. En effet, on se rappelle que l’intensité lumineuse (mais elle peut être UV, ou IR, etc.) intervient dans la définition d’une grandeur très utile, l’absorbance (voir TP dosage voie 1) :

Rappel : A = log I0It

!

"#

$

%& (ce qui revient à : I0

I=10A ou à It = I0 ×10

−A )

Nous sommes donc aujourd’hui en mesure d’expliquer le fonctionnement d’un spectrophotomètre. 1ère partie : décryptage du fonctionnement d’un spectrophotomètre b) Exemple super simple Le spectre IR (en version simplifiée) ci-dessous fait apparaître les absorptions caractéristiques des groupes C – H et C = O de la molécule de méthanal :

le spectre (méthanal gazeux) :

Document 1: Schéma du montage permettant de simuler le principe de fonctionnement d'un spectrophotomètre •Un multimètre utilisé en voltmètre est ajouté au montage afin de mesurer la tension électrique aux bornes du conducteur ohmique de résistance R. •L'intensité i du courant circulant dans le circuit récepteur est proportionnelle à l’intensité lumineuse It arrivant sur la photodiode (It = a × i). De plus, la tension UR mesurée aux bornes du conducteur ohmique est proportionnelle à l'intensité du courant (loi d'Ohm : UR = R× i). Il en résulte que la tension UR aux bornes du conducteur ohmique est proportionnelle à l’intensité lumineuse It arrivant sur la photodiode : UR = k x It

: Ne pas confondre i, intensité du courant électrique dans le circuit récepteur et It intensité lumineuse arrivant sur la photodiode.

Photodiode

UG = 6 V

R =10 kΩ

i

Cuve et solution colorée

Faisceau lumineux traversant la cuve

LASER

+

-

Matériel disponible :photodiode BPW34 –source laser- multimètre-générateur de tension continue réglable réglé sur 6 V-2 cuves de spectrophotomètres-solution aqueuse diluée de sulfate de cuivre-eau distillée.

Travail à effectuer

1) a- Réaliser le circuit électrique récepteur figurant sur le document 1. b- Proposer un protocole expérimental permettant d’évaluer l’influence du rayonnement laser sur le fonctionnement de la photodiode. Compléter le montage à l’aide du multimètre. c- Mettre en œuvre le protocole validé par le professeur et effectuer les mesures prévues. Conclure.

2) a- A partir du matériel mis à votre disposition, proposer un protocole expérimental permettant de mesurer l’absorbance de l’espèce chimique colorée contenue dans la solution de sulfate de cuivre à la longueur d’onde 633 nm (lumière LASER) b- Mettre en œuvre le protocole validé par le professeur . c- Rédiger le protocole expérimental : il doit faire apparaître clairement les différentes étapes de la démarche en utilisant le vocabulaire scientifique adapté, les résultats des mesures effectuées et la valeur de l’absorbance A de l’espèce chimique colorée ( celle-ci sera donnée avec 2 chiffres significatifs) 3) Quelles modifications faudrait-il apporter au montage du document 3 pour pouvoir tracer le spectre d’absorption A = f (λ ) de l’espèce chimique colorée considérée dans ce TP ? 2ème partie : Principe d’une spectroscope infrarouge, spectres IR des molécules organiques. 5- Identification d’une espèce chimique par spectroscopie IR

a- Principe La plupart des molécules absorbent une partie de la lumière infrarouge (transitions dans les niveaux vibrationnels, mise en oscillation des différentes parties des molécules). L’absorption d’un rayonnement de longueur d’onde donnée dépend de la nature des atomes et des liaisons. Le spectre IR d’une molécule donnée se présente sous la forme traditionnelle d’un graphe abscisse/ordonnée.

- en abscisse ce pourrait être les valeurs de λ (longueur d’onde), mais l’usage est d’y présenter les valeurs du nombre d’onde qui est l’inverse de λ (symbole : σ ( ou ν ), unité courante : le cm-1).

- En ordonnée, on indique le pourcentage de lumière transmise. Ainsi si une valeur de σ est absorbée, le rayonnement correspondant n’est pas (ou peu) transmis et il y a chute du signal.

On note toutefois qu’un spectre IR a un allure plutôt inhabituelle : valeur décroissantes de σ graduées de gauche à droite, échelle horizontale très souvent non linéaire (deux échelles, l’une entre 4000 et 2000 cm-1, l’autre entre 2000 et 500 cm-1. Heureusement cela ne le rend pas si difficile à interpréter, il y a juste quelques habitudes à prendre.

b) Exemple super simple Le spectre IR (en version simplifiée) ci-dessous fait apparaître les absorptions caractéristiques des groupes C – H et C = O de la molécule de méthanal :

… Ecoutez bien les explications associées à chaque signal, ce n’est pas si mystérieux… Et gardez toujours en tête l’analogie avec des systèmes vibrants classiques (ressort, etc) En réinvestissant le travail de début de séance, présenter le schéma de principe d’un spectrophotomètre (différentes parties, parcours du rayonnement IR, etc) Repérer sur le graphe le minimum d’absorption. Quel groupe absorbe le plus la lumière IR ? Pourquoi ? (recherches et discussions à envisager…) c) Exemples, exercices : on simplifiera les recherches en ne s’intéressant qu’aux signaux caractéristiques de vibrations d’allongement (« stretching ») Interpréter les spectres de la page 107 les formules sont données, il s’agit juste d’associer un groupe caractéristique à chaque signal important du spectre Exercices : 18 p 128, 21 p 129, 22 p 129, 23 p 130 et 10 p 126 (penser à utiliser le tableau p 114) d) suppléments Problème : quel est le point faible de la spectroscopie IR ? Y a-t-il une technique complémentaire ? OUI, la spectroscopie de RMN !!