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L’ARPENTEUR DU WEB SPECTROSCOPIES VIS, IR, UV & RMN GUY BOUYRIE 1 L’ARPENTEUR DU WEB : SPECTROSCOPIES VIS, IR, UV & RMN Comprendre la structure d’un spectre d’absorption obtenu en chimie, dans le domaine des rayonnements visibles et invisibles est un enjeu majeur de nos programmes de Terminale S. S’il est possible de réaliser des spectres d’absorption dans le domaine du visible avec le matériel en général disponible dans les lycées, il est malheureusement hors de portée des lycées d’escompter obtenir un spectre infrarouge en séances de travaux pratiques, faute d’un appareillage adéquat. Ne parlons pas de la spectroscopie RMN… Or ce sont ces spectres infrarouges ou RMN qui sont les plus porteurs d’informations pour une analyse fonctionnelle des molécules examinées ainsi que pour la caractérisation de leur chaîne carbonée : la séance s’apparente alors à une activité documentaire qui puise sa matière dans les ressources logicielles et les banques de données accessibles. Le web bien entendu peut être sollicité à cet effet. 1. QUELQUES PRÉREQUIS, OU « CE QUE LON DOIT DIRE » À NOS ÉLÈVES DE TERMINALE S 1.1. Niveaux d’énergie Les niveaux d’énergie des électrons d’un atome, d’une molécule, de tout édifice chimique sont quantifiés : seules certaines valeurs E n de cette énergie sont accessibles. Par des mécanismes appelées transitions optiques qui entraînent l’absorption ou l’émission d’un photon, un électron peut gagner un niveau excité ou au contraire accéder à un niveau inférieur. On peut donc écrire dans tous les cas : E = h , avec E = E p E n qui représente la variation d’énergie de l’atome et h qui est l’énergie emportée par le photon (h est la constante de Planck : h = 6,626 10 34 J s). Si l’espèce chimique est à l’état gazeux, les niveaux d’énergie sont le plus souvent nettement différenciés ; dans un environnement moins dilué (liquide, cristaux), les niveaux sont regroupés en « bandes d’énergie ». 1.2. Spectroscopies La spectroscopie est une méthode d’investigation très puissante des sciences physiques ; elle peut s’appuyer sur les transitions optiques du visible, mais aussi dans les régions des rayons gamma, des rayons X, de l’ultraviolet, de l’infrarouge voire des ondes hertziennes. Chaque domaine de longueur d’onde exploré permet d’accéder à un aspect particulier de la structure étudiée. D’un point de vue pratique, on soumet un échantillon soit pris à l’état gazeux, soit dissous dans un solvant approprié, à un rayonnement dont on peut modifier la fréquence d’émission. Une chaîne de détection et de mesure permet d’établir un spectre d’absorption qui constitue une véritable carte d’identité de l’espèce chimique étudiée. Transitions optiques et UV Pour un chimiste, l’étude des spectres d’absorption, dans ces domaines où sont provoquées des transitions électroniques, permet d’identifier des séquences d’atomes particulières dans les molécules. Notamment, on repère ainsi des groupes insaturés qui constituent vis à vis des radiations du visible ou de l’ultraviolet des groupes chromophores (qui absorbent sélectivement certaines de ces radiations). Par exemple, la présence d’une double liaison éthylénique entraîne l’absorption des radiations proches de 170 nm (ultraviolet). Spectres infrarouges L’infrarouge est découpé en 3 zones : (1) : le proche infrarouge (de 0,8 μm à 2,0 μm) ; (2) : l’infrarouge moyen (de 2 μm à 16 μm) ; (3) : l’infrarouge lointain (de 16 à 300 µm). La spectroscopie infrarouge qui concerne essentiellement les domaines (1) et (2) nous renseigne sur les états de “vibration” et de “rotation” d’une molécule, informations très utiles pour le chimiste. Une molécule est le siège de différents mouvements vibratoires : le nombre de degrés de liberté, et donc de modes de vibrations, augmente avec le nombre d’atomes présents dans la molécule. Il existe ainsi des modes de vibrations appelés « vibrations de valence ou d’élongation » (symétriques ou antisymétriques), et de « vibrations de déformation » (flexions, cisaillements, bascules et torsions). Les énergies mises en jeu sont faibles : l’absorption d’un photon infrarouge par une molécule ne va perturber que ses états de rotation (de l’ordre de 1 meV par transition) ou de vibration (de l’ordre de 0,1 eV). Un atome ne peut absorber ou émettre que les photons qui emportent l’énergie nécessaire pour passer d’un niveau à un autre. Absorption : v np = E p E n h (p > n) Émission : pn = E p E n h ( p > n) h np E n p h pn E n p

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L’ARPENTEUR DU WEB

SPECTROSCOPIES VIS, IR, UV & RMN GUY BOUYRIE

1

L’ARPENTEUR DU WEB : SPECTROSCOPIES VIS, IR, UV & RMN

Comprendre la structure d’un spectre d’absorption obtenu en chimie, dans le domaine des rayonnements

visibles et invisibles est un enjeu majeur de nos programmes de Terminale S.

S’il est possible de réaliser des spectres d’absorption dans le domaine du visible avec le matériel en général

disponible dans les lycées, il est malheureusement hors de portée des lycées d’escompter obtenir un spectre

infrarouge en séances de travaux pratiques, faute d’un appareillage adéquat. Ne parlons pas de la

spectroscopie RMN…

Or ce sont ces spectres infrarouges ou RMN qui sont les plus porteurs d’informations pour une analyse

fonctionnelle des molécules examinées ainsi que pour la caractérisation de leur chaîne carbonée : la séance

s’apparente alors à une activité documentaire qui puise sa matière dans les ressources logicielles et les

banques de données accessibles.

Le web bien entendu peut être sollicité à cet effet.

1. QUELQUES PRÉREQUIS, OU « CE QUE L’ON DOIT DIRE » À NOS ÉLÈVES DE TERMINALE S

1.1. Niveaux d’énergie

Les niveaux d’énergie des électrons d’un atome, d’une molécule, de tout édifice chimique sont quantifiés :

seules certaines valeurs E n de cette énergie sont accessibles. Par des mécanismes appelées transitions

optiques qui entraînent l’absorption ou l’émission d’un photon, un électron peut gagner un niveau excité ou

au contraire accéder à un niveau inférieur.

On peut donc écrire dans tous les cas : E = h , avec E = E p E n qui représente la variation d’énergie de

l’atome et h qui est l’énergie emportée par le photon (h est la constante de Planck : h = 6,626 10 34

J s). Si l’espèce chimique est à l’état gazeux, les niveaux d’énergie sont le plus souvent nettement différenciés ;

dans un environnement moins dilué (liquide, cristaux), les niveaux sont regroupés en « bandes d’énergie ».

1.2. Spectroscopies

La spectroscopie est une méthode d’investigation très puissante des sciences physiques ; elle peut s’appuyer

sur les transitions optiques du visible, mais aussi dans les régions des rayons gamma, des rayons X, de

l’ultraviolet, de l’infrarouge voire des ondes hertziennes. Chaque domaine de longueur d’onde exploré

permet d’accéder à un aspect particulier de la structure étudiée.

D’un point de vue pratique, on soumet un échantillon soit pris à l’état gazeux, soit dissous dans un solvant

approprié, à un rayonnement dont on peut modifier la fréquence d’émission. Une chaîne de détection et de

mesure permet d’établir un spectre d’absorption qui constitue une véritable carte d’identité de l’espèce

chimique étudiée.

Transitions optiques et UV Pour un chimiste, l’étude des spectres d’absorption, dans ces domaines où sont provoquées des transitions

électroniques, permet d’identifier des séquences d’atomes particulières dans les molécules. Notamment, on

repère ainsi des groupes insaturés qui constituent vis à vis des radiations du visible ou de l’ultraviolet des

groupes chromophores (qui absorbent sélectivement certaines de ces radiations).

Par exemple, la présence d’une double liaison éthylénique entraîne l’absorption des radiations proches de

170 nm (ultraviolet).

Spectres infrarouges L’infrarouge est découpé en 3 zones : (1) : le proche infrarouge (de 0,8 µm à 2,0 µm) ; (2) : l’infrarouge

moyen (de 2 µm à 16 µm) ; (3) : l’infrarouge lointain (de 16 à 300 µm).

La spectroscopie infrarouge qui concerne essentiellement les domaines (1) et (2) nous renseigne sur les états

de “vibration” et de “rotation” d’une molécule, informations très utiles pour le chimiste.

Une molécule est le siège de différents mouvements vibratoires : le nombre de degrés de liberté, et donc de

modes de vibrations, augmente avec le nombre d’atomes présents dans la molécule. Il existe ainsi des modes

de vibrations appelés « vibrations de valence ou d’élongation » (symétriques ou antisymétriques), et de

« vibrations de déformation » (flexions, cisaillements, bascules et torsions).

Les énergies mises en jeu sont faibles : l’absorption d’un photon infrarouge par une molécule ne va perturber

que ses états de rotation (de l’ordre de 1 meV par transition) ou de vibration (de l’ordre de 0,1 eV).

Un atome ne peut absorber ou émettre que les photons qui emportent l’énergie nécessaire pour passer

d’un niveau à un autre.

Absorption : v np = E p E n

h (p > n) Émission : pn =

E p E n

h ( p > n)

h np

E

n

p

h pn

E

n

p

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2

On a : E = h c

; en spectroscopie infrarouge, on définit le « nombre d’onde » (cm

1) =

1

= E

h c .

On peut vérifier que : 1 cm 1

1,24 10 4

eV. Rappelons que 1 eV 1,602 10 19

J et c 3,0 10 8 m s

1.

Dans tous les cas, on observe dans le spectre des raies ou des bandes d’absorption caractéristiques des

fonctions ou enchaînements d’atomes présents dans les molécules analysées.

1.3 Spectroscopie RMN

La « résonance magnétique nucléaire » ou RMN est une méthode spectroscopique qui s’adresse aux

noyaux dotés d’un moment magnétique dans la molécule étudiée, souvent « organique ». On parle de

HNMR si l’on s’intéresse aux noyaux d’hydrogène 1

1 H qui sont en fait des protons.

Cette méthode ne fait pas appel à des lumières visibles ou invisibles. Elle utilise le fait que les particules

du noyau d’un atome (protons et neutrons) sont dotées de propriétés magnétiques. Les noyaux de nombres A

ou Z impair (tels 1

1 H,

13

6 C,

14

7 N,

17

8 O) possèdent un « moment magnétique de spin M S

» : le noyau est alors

l’analogue d’une petite aiguille aimantée qui peut s’orienter dans un champ magnétique extérieur. En réalité,

le noyau se comporte comme une petite toupie aimantée tournant ici dans le sens des aiguilles d’une

montre à une fréquence f très élevée autour de la direction du

champ magnétique extérieur.

Pour le noyau 1

1 H placé dans un champ magnétique extérieur,

deux orientations pour cette « toupie aimantée » sont possibles,

soit dans le même sens que ce champ, ce qui conduit à occuper le

niveau d’énergie E 1 le plus bas (et le plus « peuplé » ordinai-

rement), soit en sens opposé, ce qui correspond à l’occupation du

niveau d’énergie supérieur E 2.

Par conséquent, ces deux orientations privilégiées se traduisent par un très faible écart énergétique (de

l’ordre du µeV) qui dépend de l’intensité du champ magnétique extérieur appliqué.

Le champ magnétique extérieur oriente donc ces aiguilles aimantées (ici des protons) de l’échantillon

étudié, ce qui se traduit globalement par une « aimantation » du milieu selon la direction de ce champ.

Des impulsions électriques dans une bobine créent un deuxième champ magnétique perpendiculaire au

précédent et de fréquence ajustable. Lorsque cette fréquence est égale à celle de la rotation des noyaux, on

dit qu’il y a résonance : des noyaux passent d’un état d’énergie vers l’autre état, par exemple du niveau 1 au

niveau 2 ou inversement ; l’aimantation du milieu est alors profondément affectée, car elle peut basculer de

sens dès qu’un niveau se trouve plus peuplé que l’autre.

Quand l’impulsion cesse, l’aimantation se met à osciller pour reprendre son orientation initiale. Une

transformée de Fourier de ce signal oscillant (qui est une analyse fréquentielle de ce signal oscillant) donne

le spectre RMN.

En HNMR, si tous les noyaux d’hydrogène de la molécule étaient strictement équivalents, la résonance se

produirait pour tous à la même fréquence et la méthode n’aurait aucun intérêt. Mais tous les protons ne se

comportent pas de la même manière, suivant leur environnement dans la molécule : la fréquence de

résonance ne se produit pas exactement à la même valeur. On fait donc varier la fréquence f du champ

« perturbateur » de sorte que l’on provoque la résonance successive de tous les protons « équivalents ».

On obtient un spectre de raies où sont positionnées, pour les différentes fréquences de résonance

observées, les énergies absorbées lors des transitions provoquées pour chaque ensemble de protons

équivalents.

1.4. Allure d’un spectre HNMR

Plutôt que de reporter les valeurs des fréquences de résonance, on étalonne l’axe des abscisses en

« déplacement chimique », exprimé en « p.p.m. » (sans unité). Le déplacement chimique indique l’écart

relatif (très faible !) de la valeur de la fréquence de résonance observée pour un ensemble de protons

équivalents dans l’échantillon étudié d’une part, et celle existant pour un échantillon de référence (le TMS,

ou tétraméthylsilane où tous les protons sont équivalents) d’autre part.

On a donc = 0 pour le composé de référence où tous les protons sont équivalents.

Examinons le spectre RMN ci-dessous de la molécule d’éthanal. On y relève 2 raies pour lesquelles 0 :

l’une pour 2,2, très intense (1) ;

l’autre pour 9,7, nettement moins intense (2).

E 2

E 1

B

ext

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Ces raies différencient deux types de protons :

ceux (au nombre de 3) appartenant à CH3 ;

celui du groupe fonctionnel “carbonyle”.

La raie est d’autant plus intense que les protons

équivalents sont nombreux.

Donc (1) est caractéristique du groupe méthyl CH3

alors que (2) est la signature du groupe CHO .

On remarque que (2) >> (1) : le déplacement est

d’autant plus important que le proton subit

l’influence d’un atome voisin qui est relatif à un

élément plus électronégatif que le carbone ou

l’hydrogène (comme O, N, C).

Nous verrons également que la surface délimitée par

chaque raie est proportionnelle au nombre de protons

équivalents ; cette surface est calculée par voie

logicielle et donne lieu à une représentation graphique appelée « courbes d’intégration ».

Enfin, en zoomant sur certaines raies, nous pourrons parfois constater qu’elles sont résolues en « multiplets »

(raies multiples très rapprochées) dont la structure est lié à au nombre de protons voisins de ceux qui

« résonnent ».

Quelques règles :

Dans une molécule, les noyaux des atomes d’hydrogène sont équivalents s’ils ont le même environnement

(cas des atomes d’hydrogène liés à un même atome de carbone et / ou liés à des carbones qui ont des relations

de symétrie dans la molécule) ; ils auront le même déplacement chimique.

La « hauteur » des paliers d’intégration est proportionnelle au nombre de protons équivalents.

La valeur du déplacement est révélatrice de l’appartenance du proton à certaines séquences particulières

(hydrogène de certains groupes caractéristiques comme HO , CHO , NH2 , etc. ou proximité de carbones

simplement liés, doublement liés, etc.). Ce déplacement est d’autant plus grand que l’influence d’un élément

électronégatif est importante.

Une raie se résout en multiplets, c’est-à-dire en (n + 1) composantes si un proton H a possède n « voisins »

équivalents H b dans une séquence de la forme H a C C H b.

Pour plus d’informations sur la RMN, on peut consulter l’immense cours en ligne de notre collègue G.

DUPUIS du lycée Faidherbe de Lille http://www.faidherbe.org/site/cours/dupuis/rmn2.htm

Fig. 1 : page d’accueil du cours de G. Dupuis sur la RMN http://www.faidherbe.org/site/cours/dupuis/rmn2.htm

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2. DES OUTILS DISPONIBLES SUR LE WEB

2.1. Format des fichiers

Les fichiers de données obtenus à l’issue des méthodes classiques de spectroscopie ont un format particulier

*.jdx, selon la norme JCAMP-DX (Joint Committee on Atomic and Molecular Physical DataJoint Committee on

Atomic and Molecular Physical Data, un format ouvert validé par l’IUPAC). Les spécificités de ce format interdisent une importation directe des données dans un tableur généraliste mais

un simple bloc-notes permet au moins de consulter son contenu : il faut donc faire appel à des logiciels

spécialisés, de la simple « visionneuse » à un véritable tableur.

2.2. Quels outils facilement accessibles ?

SPECAMP

Tout d’abord, louons le travail remarquable élaboré par un collègue, M. Serge LAGIER qui a créé un logiciel

destiné à nos usages pour interpréter et charger la plupart des spectres (IR, UV, visibles mais aussi RMN), le

logiciel SPECAMP.

Nous en avons fait écho de nombreuses fois. http://www.sciences-edu.net/physique/specamp/specamp.htm

Ce logiciel ne cesse d’évoluer en fonction des retours que l’auteur reçoit de la part des utilisateurs, de plus en

plus nombreux !

De véritables « tutoriels » sont élaborés et des exemples de scénarios possibles pour son utilisation en classe

sont disponibles sur le site de l’auteur. Nous en proposerons un à la fin de cette fiche.

Fig. 2 : page d’accueil de SPECAMP http://www.sciences-edu.net/physique/specamp/specamp.htm

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JDXVIEW

Voilà un logiciel libre de droit (et « open source ») qui s’acquitte remarquablement du travail demandé, à

savoir charger, lire des fichiers *.jdx et procéder aux représentations graphiques des spectres.

Il est téléchargeable à l’adresse : http://merian.pch.univie.ac.at/~nhaider/cheminf/jdxview.html

Un simple clic gauche sur l’image obtenue permet de matérialiser un curseur que l’on peut déplacer à

volonté ; par clic droit, on dispose d’un deuxième curseur : on délimite ainsi une fenêtre d’observation qu’il

est possible de zoomer en agissant sur le bouton (il est ensuite possible de “dézoomer” en faisant appel

au bouton inférieur).

Ce petit logiciel est très simple d’emploi, certes très dépouillé, mais il fait l’essentiel de ce que l’on peut

attendre d’un élève de Terminale S.

Fig. 3 : page d’accueil de JDXVIEW http://merian.pch.univie.ac.at/~nhaider/cheminf/jdxview.html

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JSPECVIEW

C’est une « visionneuse » open source, de licence GNU, qui fonctionne selon une applet JAVA.

Le logiciel est téléchargeable à l’adresse http://jspecview.sourceforge.net/ .

Pour fonctionner, il lui faut l’environnement JAVA RE : il se peut que l’administrateur du réseau ne l’ait pas

mis à jour ce qui peut entraîner des messages de mise en garde ou de blocage du logiciel !

Là encore, on a affaire à une interface très dépouillée et qui ne pose pas de problème particulier pour son

utilisation ; on dispose des outils indispensables pour explorer le spectre affiché.

DES VISIONNEUSES EN LIGNE

Elles sont nombreuses et plus ou moins bien réalisées.

Nous verrons que certaines bases de données en incorporent de belle facture.

3. ET LES SPECTRES ?

Maintenant que l’on dispose des outils, encore faut-il avoir matière à travailler, à savoir disposer d’une

bibliothèque de spectres.

Plusieurs solutions :

SPECAMP : heureux utilisateurs de ce logiciel, l’auteur vous a gâté, en ayant mis à votre disposition une

bibliothèque extrêmement bien fournie, tout en pointant des liens essentiels sur le WEB pour ceux qui n’ont

pas trouvé leur bonheur !

LE WEB : parlons-en ! On dispose par quelques clics de souris de bases de données aussi variées que

fournies !

Parmi toutes celles-ci, citons d’abord celle qui émane du NIST (National Institute of Standards and

Technology) : http://www.nist.gov/

Ce site est immense : un véritable labyrinthe où tout scientifique qui cherche des données utiles trouve son

bonheur.

Ici, il faut visiter les pages du « webbook » de chimie : http://webbook.nist.gov/chemistry/

Fig. 4 : page d’accueil de JSPECVIEW http://jspecview.sourceforge.net/

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Le formulaire de recherche est on ne peut plus explicite ; le plus simple est de rentrer ou le nom ou la

formule de l’espèce chimique recherchée.

Ici, j’ai pris l’exemple du méthanol – pardon du methanol sans accent car il faut « parler » anglais pour être

compris de la base de données, sinon la recherche s’avèrera vaine après avoir été lancée !

Il est alors possible d’accéder à un certain nombre de types de spectres, infrarouges ou ultraviolets dans ce

cas, avec l’embarras du choix, comme en témoigne la fenêtre suivante dévolue aux spectres infrarouges du

méthanol !

Fig. 5 : page d’accueil (à l’ancienne) du « webbook » de chimie du NIST http://webbook.nist.gov/chemistry/

Fig. 6 : formulaire de recherche du « webbook » de chimie du NIST

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Il y a là un double intérêt :

le site incorpore une visionneuse en ligne, disponible à condition de ne pas exiger une trop forte résolution

sur les valeurs de (cm 1

) qui ne peut être rendue sur l’écran ;

la possibilité de télécharger le fichier aux normes JCAMP-DX et donc de l’étudier avec un des logiciels

précédemment évoqués. Le logiciel SPECAMP est alors capable de le charger en plaçant en ordonnées la

grandeur « transmittance », si l’on privilégie ce mode de représentation.

Fig. 7 : résultat de la requête « spectre IR du methanol » sur le webbook du NIST

Fig. 8 : un exemple de « spectre IR du methanol » sur le webbook du NIST

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Une autre base de données, qui est mentionnée sur le site national de l’UdPPC à la page, http://www.udppc.asso.fr/national/index.php/documents-thematiques/spectroscopies

est celle du National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) du Japon http://sdbs.riodb.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi Elle s’ouvre selon :

Là encore, une visionneuse en ligne est disponible ; cependant, la possibilité de télécharger le spectre au

format JCAMP-DX est absente, contrairement au NIST.

Fig. 9 : formulaire de recherche de l’AIST

Fig. 10 : un exemple de « spectre IR du méthanol » selon la base de données de l’AIST

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3. ET SI L’ON SE FORMAIT EN LIGNE ?

Comprendre la structure des spectres n’est pas toujours aisée ! Beaucoup d’universités (hélas rarement

francophones) se sont attelées à cette tâche de formation.

Université de WEST INDIES en Jamaïque , qui est dépositaire du logiciel déjà évoqué JspecView. http://wwwchem.uwimona.edu.jm/spectra/

Dans cet exemple, on bénéficie d’une visionneuse en ligne et de quelques liens pour aller plus loin dans la

compréhension de la constitution du spectre et de son obtention. Université technologique de DARMSTADT

C’est un site remarquable, dû au professeur Stefan IMMEL de l’université allemande technologique de

DARMSTADT, qui fait côtoyer spectres infrarouges et animations moléculaires : http://csi.chemie.tu-darmstadt.de/ak/immel/misc/oc-scripts/vibrations.html Le grand intérêt de ce site (qui peut provisoirement être en dérangement) est de juxtaposer au spectre de la

molécule, des animations qui mettent en évidence les vibrations ou déformations entre atomes liés

responsables des différentes bandes d’absorption. Les modèles moléculaires sont construits selon des scripts

JAVA (routines embarquées dans Jmol) et nécessitent donc d’activer JAVA JRE sur son navigateur.

Fig. 11 : se former en ligne avec http://wwwchem.uwimona.edu.jm/spectra/

Fig. 12 : se former en ligne avec l’université de Darmstadt

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On trouve d’ailleurs un cours en ligne canadien, s’appuyant sur les ressources de l’Université de Darmstadt,

qui est commenté selon le lien : http://www.youtube.com/watch?v=BQ95gP5rBBg&list=PLokpFtkY5yS2tKBijwIUMztvric_LXCjS&index=3 Université de Nice Sophia Antipolis

Une ressource, ciblée plutôt pour les étudiants de licence, est proposée par l’Université de Nice (et déjà

mentionnée dans notre article). http://www.unice.fr/cdiec/multispectroscopie/

Ce site permet de s’approprier, par des exercices interactifs, et les spectroscopies en infrarouge et celles

propres à la RMN.

Il existe bien d’autres sites qui permettent de s’approprier les méthodes spectroscopiques mais leur

spécialisation est telle que beaucoup d’entre eux s’adressent à des étudiants qui ont déjà acquis une certaine

maîtrise des méthodes et fondements propres à la spectroscopie, ce qui n’est pas le cas de nos lycéens ! Liens recensés par l’UdPPC

Consulter la page « spectroscopies » : http://www.udppc.asso.fr/national/index.php/documents-thematiques/spectroscopies

4. UN EXEMPLE D’ACTICITÉ DIRIGÉE AVEC SPECAMP

4.1. Réalisation d’un spectre et exploitation

Voir la video à http://actions.maisondelachimie.com/outils_pedagogiques.html

Pour l’interprétation de différents spectres d’absorption, nous utiliserons le logiciel libre SPECAMP .

4.2. Spectres UV

Dans le module SPECTROSCOPIE UV / VIS, cliquer sur ; charger par les spectres d’au moins

3 molécules. Noter vos observations. Quitter le module par .

4.3. Spectres infrarouges

4.3.1. Modes de vibration d’une molécule triatomique

Dans le module SPECTROSCOPIE IR, cliquer sur .

Observer les différents modes de vibrations d’une molécule triatomique.

Fig. 10 : se former en ligne avec l’Université de Nice Sophia Antipolis http://www.unice.fr/cdiec/multispectroscopie/

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On distingue des modes de vibrations « d’élongation » et d’autres de « déformation ». De ces deux familles

de vibrations, laquelle, selon vous, nécessite le moins d’énergie lors d’une transition optique ?

4.3.2. Analyse de quelques spectres IR

Dans le module SPECTROSCOPIE IR, cliquer sur .

Explorer 3 spectres de différentes molécules par famille citée (dotée d’une fonction donnée) dans les

tableaux ci-dessous.

Chercher avec le curseur les valeurs des nombres d’onde des principaux « pics » d’absorption dans les

différentes bandes explorées.

Alcènes C C :

Molécule 1 :

Bandes 3 600 2 000 cm 1

2 000 1 000 cm 1

1 000 200 cm 1

(cm 1

) Molécule 2 :

Bandes 3 600 2 000 cm 1

2 000 1 000 cm 1

1 000 200 cm 1

(cm 1

) Molécule 3 :

Bandes 3 600 2 000 cm 1

2 000 1 000 cm 1

1 000 200 cm 1

(cm 1

)

Fonction carbonyle C O :

Molécule 1 :

Bandes 3 600 2 000 cm 1

2 000 1 000 cm 1

1 000 200 cm 1

(cm 1

) Molécule 2 :

Bandes 3 600 2 000 cm 1

2 000 1 000 cm 1

1 000 200 cm 1

(cm 1

) Molécule 3 :

Bandes 3 600 2 000 cm 1

2 000 1 000 cm 1

1 000 200 cm 1

(cm 1

)

Autre fonction (hydroxyle OH ou carboxyle COOH ou amine NH) :

Molécule 1 :

Bandes 3 600 2 000 cm 1

2 000 1 000 cm 1

1 000 200 cm 1

(cm 1

) Molécule 2 :

Bandes 3 600 2 000 cm 1

2 000 1 000 cm 1

1 000 200 cm 1

(cm 1

) Molécule 3 :

Bandes 3 600 2 000 cm 1

2 000 1 000 cm 1

1 000 200 cm 1

(cm 1

) Interpréter les spectres obtenus en fonction des catalogues disponibles par le menu suivant :

SPECTROSCOPIE IR ÉTUDE PAR FONCTION.

Relever les points communs et les différences au sein d’une même famille.

4.4. Analyse de quelques spectres RMN (spectres HNMR)

Ouvrir le logiciel SPECAMP.

4.4.1. Aldéhydes

Dans le module SPECTROSCOPIE RMN, cliquer sur .

Charger par ALDEHYDE le spectre de l’éthanal puis celui du propanal (on peut les superposer par ).

Relever : le nombre de raies observées ; les valeurs de déplacement .

Cocher (si ce n’est le cas) COURBE D’INTÉGRATION et essayer, dans chaque cas, de déterminer le nombre

de protons équivalents en considérant les hauteurs relatives de chaque palier.

Zoomer les différentes raies pour rechercher d’éventuels multiplets ; si c’est le cas, indiquer le nombre n de

voisins équivalents H b ainsi déterminés. Est-ce en accord avec la détermination précédente ?

Remarque : pour « dézoomer », faire clic droit à la souris sur l’image.

Page 13: L’ WEB S IR UV RMN GUY B L’ARPENTEUR DU WEB ... · L’ARPENTEUR DU WEB SPECTROSCOPIES VIS, IR, UV & RMN GUY BOUYRIE 1 L’ARPENTEUR DU WEB: SPECTROSCOPIES VIS, IR, UV & RMN Comprendre

L’ARPENTEUR DU WEB

SPECTROSCOPIES VIS, IR, UV & RMN GUY BOUYRIE

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Peut-on estimer, au vu de ces deux spectres, qu’une fonction a été identifiée ?

4.4.2. Alcools

Charger par ALCOOLS les spectres des molécules de pentan-3-ol et de 2-méthylbutan-2-ol, molécules de

même formule brute qui sont des isomères de position.

Les examiner. La spectroscopie RMN différencie-t-elle ces isomères ? Peut-on identifier leur fonction

alcool ?

4.4.3. Autres familles

Choisir les spectres de deux molécules appartenant à une même famille parmi les autres qui sont proposées

dans la bibliothèque du logiciel (alcènes, esters, amines, cétones, etc.). Et pour se tester, dérouler le menu SPECTROSCOPIE RMN ATTRIBUTION SPECTRE / FORMULE.

5. EN CONCLUSION

Pour mettre en place les principes des méthodes spectroscopiques abordés dans nos programmes de

Terminale S, le professeur doit élaborer des séquences d’activités dirigées : elles ne trouvent leur sens que si

elles peuvent s’appuyer sur une consultation et une exploitation aisées de bibliothèques de spectres que le

professeur peut constituer.

Il est donc opportun de faire appel à des logiciels libres capables de lire les fichiers au format JCAMP-DX et

d’utiliser les ressources du WEB comme nous l’avons montré dans cette fiche.