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Spectroscopie

Spectroscopie

T'es-tu déjà demandé de quelle façon les scientifiques savent quelles sont les molécules avec lesquelles ils travaillent ? S'il n'y a pas de changement évident, comme un changement de couleur ou des bulles, de cette façon savent-ils qu'une réaction chimique a eu lieu ? Même si ces signes se produisent, comment les chimistes savent-ils qu'ils ont synthétisé le produit qu'ils voulaient ?

C'est là que le concept de spectroscopie entre en jeu. La spectroscopie aide les scientifiques à comprendre ce qu'est une substance inconnue en analysant des propriétés spécifiques qui donnent des indices sur ce que pourrait être une molécule.

Il existe de nombreux types de spectroscopie qui permettent de détecter toutes sortes de propriétés moléculaires. Ce résumé de cours, cependant, explique les bases des types de spectroscopie les plus courants et les propriétés d'identification qu'ils détectent.

  • Dans ce résumé de cours, nous essaierons de comprendre le spectre électromagnétique et de quelle façon il est lié à la spectroscopie.
  • Tu apprendras ensuite ce qu'est la spectroscopie photoélectrique.
  • Tu apprendras comment fonctionne la spectroscopie infrarouge et à quoi ressemblent les spectres qu'elle produit.
  • Nous aborderons la spectroscopie UV-vis et le type de spectres qu'elle produit.
  • Enfin, nous aborderons la spectroscopie de masse, et ce à quoi ressemblent les graphiques.

Spectre électromagnétique

Pour comprendre ce qu'est le spectre électromagnétique, il faut d'abord présenter le concept de rayonnement. Tu as probablement déjà entendu le mot "rayonnement". Il peut s'agir d'une personne décrivant son traitement contre le cancer, ou de la spectroscopie de produits chimiques en laboratoire. Il s'avère que les rayonnements sont présents tout autour de nous, en permanence. Tous les rayonnements ne sont qu'un type d'énergie qui se déplace et se propage lorsqu'il se déplace.

Le rayonnement n'est qu'un type d'énergie qui se déplace (généralement sous forme d'ondes) et se propage en se déplaçant.

Sais-tu que toute la lumière visible est un rayonnement ? Et quand tu es dans ta voiture et que tu allumes la radio ? C'est aussi un rayonnement ! Ce sont deux formes de rayonnement électromagnétique. Les différents types de rayonnement électromagnétique sont caractérisés et organisés dans le spectre électromagnétique en fonction de leur longueur d'onde.

Analyse chimique et spectroscopie

Maintenant que nous avons eu une brève introduction, examinons la définition de la spectroscopie.

La spectroscopie est la science qui permet d'identifier une substance sur la base de la caractérisation des spectres.

Un point clé de la spectroscopie est sa relation avec le spectre électromagnétique.

Diagramme du spectre électromagnétique

Qu'est-ce que le spectre électromagnétique ?

Le spectre électromagnétique caractérise et organise les différentes formes de rayonnement électromagnétique en fonction de leurs différentes longueurs d'onde.

Spectroscopie Spectre électromagnétique (Jefferson) StudySmarterFig.1- Un diagramme de base du spectre électromagnétique.

Tu as probablement déjà vu un graphique du spectre électromagnétique comme celui illustré ci-dessus. Au fur et à mesure que l'on se déplace de la droite vers la gauche, les longueurs d'onde deviennent plus courtes et, par conséquent, la fréquence augmente. Il s'avère que cette règle simple peut être utilisée pour aider les scientifiques à déduire les molécules avec lesquelles ils travaillent à l'aide de quelques principes.

  • Les molécules, en fonction de leur structure, absorbent une certaine quantité d'énergie qui correspond à une fréquence spécifique.
  • Si nous pouvons déterminer cette fréquence, nous pouvons déterminer l'énergie à laquelle elle est proportionnelle, puis déterminer la structure moléculaire réelle.

Comme tu l'as probablement déjà présenté, la spectroscopie IR concerne les substances qui absorbent les radiations dans le domaine électromagnétique IR. La spectroscopie UV-Vis s'intéresse à l'absorption dans le domaine des UV et du visible, et ainsi de suite. Cependant, chaque type de spectroscopie que nous allons aborder présente des utilisations primaires différentes et révèle des caractéristiques différentes sur les atomes et les molécules - les types de spectroscopie ne sont donc pas interchangeables. (Tu ne peux pas utiliser la spectroscopie IR au lieu de la spectroscopie UV-Vis et t'attendre à obtenir les mêmes informations ou les résultats, etc.)

La spectroscopie photoélectrique

La spectroscopie photoélectrique manipule le fait que les électrons des atomes et des molécules présentent des énergies relatives différentes. Nous savons que les atomes présentent un nombre spécifique d'électrons. Nous savons également que les liaisons impliquent le partage ou le don d'électrons. Par conséquent, comme nous savons que l'énergie de ces électrons sera spécifique aux atomes présents dans l'échantillon et aux énergies de liaison qui leur sont associées, nous pouvons déterminer ces deux éléments avec la spectroscopie photoélectrique.

En nous concentrant sur les éléments chimiques, nous pouvons utiliser la spectroscopie photoélectrique pour "zoomer" sur les atomes d'un échantillon et voir les niveaux d'énergie. Pour ce faire, nous "arrachons" les électrons de l'échantillon à l'aide d'un rayonnement électromagnétique à haute énergie comme les rayons X ou les rayons ultraviolets (UV). En procédant ainsi, on peut mesurer l'énergie d'ionisation de chacun de ces électrons "arrachés" et obtenir un graphique qui ressemble à ce qui suit. (L'énergie d'ionisation est également connue sous le nom d'énergie de liaison).

La spectroscopie photoélectrique détecte l'énergie d'ionisation résultant du retrait des électrons un par un à l'aide de rayons X ou UV. Elle révèle des informations sur les atomes individuels et leurs orbitales dans des échantillons gazeux ou solides.

Spectroscopie Exemple de spectre SPE  (Jefferson) StudySmarterFig.2- Exemple de spectre SPE de l'azote gazeux.

Ci-dessus, on voit le spectre SPE d'un échantillon pur et idéalisé d'azote. Nous connaissons les niveaux d'énergie de l'azote et savons qu'ils présentent une configuration électronique de \( 1s^2 \space 2s^2 \space 2p \) . En analysant le PES de notre échantillon d'azote gazeux, nous pouvons voir que nous présentons trois pics qui correspondent à ces trois niveaux d'énergie discrets. Nous pouvons également voir que la hauteur des pics est relative au nombre d'électrons présents dans chaque sous-couche. Par exemple, les deux premiers pics sont de hauteur égale, car \( 1s^2 \) et \( 2s^2 \) présentent tous deux \( 2 \) électrons. Le troisième pic, qui représente \( 2p \) , est moitié moins haut parce qu'il n'y a qu'un seul électron dans sa sous-couche. Cette technique peut être appliquée au spectre SPE pour déterminer quel élément est analysé.

Maintenant que nous avons compris les bases de cette façon de procéder, à quoi ressemble l'utilisation de la SPE ?

Nous pouvons utiliser la spectroscopie photoélectrique pour :

  • Déterminer l'élément spécifique avec lequel nous travaillons.
  • Approfondir les informations sur les atomes individuels.
  • Visualiser la différence entre les orbitales.

La spectroscopie photoélectrique est généralement utilisée avec des échantillons en phase gazeuse ou solide.

Spectroscopie infrarouge

Maintenant, déplaçons-nous un peu plus vers l'extérieur. Plutôt que d'analyser un échantillon atome par atome, que faire si nous voulons savoir avec quelle molécule nous travaillons ? La spectroscopie infrarouge nous aide à le faire en déterminant expérimentalement de quelle façon notre substance interagit avec la lumière infrarouge.

La spectroscopie infrarouge (IR) détecte l'énergie des vibrations des liaisons pour révéler des informations sur les groupes fonctionnels et la connectivité des liaisons dans les solutions et les échantillons solides.

Tableau spectre IR

Nous pouvons procéder de plusieurs manières différentes. Parfois, les chimistes examinent les spectres d'absorption pour déterminer de quelle manière unique l'échantillon absorbe le rayonnement IR. Les spectres d'émission indiquent également l'inverse : quel motif notre échantillon produit-il lorsqu'il émet un rayonnement IR ? Dans de rares cas, les spectres de réflexion IR sont utilisés pour voir de quelle façon l'échantillon reflète le rayonnement IR.

Les spectres IR peuvent rapidement devenir compliqués, mais pour l'examen de chimie, tu dois savoir que les spectres IR ressemblent à ce qui suit :

Spectroscopie Exemple dessiné d'une spectroscopie infrarouge graphique StudySmarterFig.3- Exemple dessiné d'une spectroscopie infrarouge graphique.

Les spectres IR sont généralement mesurés en nombre d'onde, \( cm^{-1} \) , qui est juste l'inverse de la longueur d'onde. Les pics sur ce graphique représentent différents groupes d'atomes caractéristiques, autrement appelés groupes fonctionnels. Ces pics paraissent sur différentes parties du graphique en raison des différentes vibrations des liaisons en réaction au rayonnement IR à travers la molécule.

Maintenant, à quoi ressemble la spectroscopie IR dans un plan expérimental ?

Nous pouvons utiliser la spectroscopie IR pour :

  • Déterminer les groupes fonctionnels qui composent une molécule.
  • Déterminer la connectivité des liaisons au sein d'une molécule.

La spectroscopie IR est généralement utilisée avec des échantillons à l'état solide ou en solution.

Spectroscopie ultraviolette visible

La spectroscopie ultraviolette visible (UV-Vis) est similaire en principe à la spectroscopie IR. Cependant, ce qui est détecté par la spectroscopie UV-Vis est différent de la spectroscopie IR, les spectres produits ont un aspect différent et les implications de la signification de ce qui est détecté sont différentes. La spectroscopie UV-Vis se concentre sur les domaines ultraviolet et visible du spectre de rayonnement électromagnétique. Par conséquent, la spectroscopie UV-Vis détecte principalement les molécules riches en doubles liaisons et en cations métalliques.

La spectroscopie UV-Vis détecte l'énergie provenant de l'excitation des électrons à différentes longueurs d'onde pour déterminer où se produit l'absorption maximale. Les molécules riches en doubles liaisons ou les cations métalliques sont généralement utilisés comme échantillons dans les solutions aqueuses.

Un spectre UV-Vis résultant peut ressembler à ce qui suit :

Spectroscopie Exemple dessiné d'un graphique de spectroscopie UV-Vis StudySmarterFig.4- Exemple dessiné d'un graphique de spectroscopie UV-Vis.

Remarque la façon dont notre graphique compare l'absorbance avec la longueur d'onde. Ce spectre montre l'absorbance moléculaire relative à chaque longueur d'onde spécifique et produit une courbe qui révèle la longueur d'onde d'absorbance maximale. Cette information pourrait être importante si tu voulais utiliser ces données expérimentales pour trouver la concentration, ce qui pourrait être fait avec la loi de Beer.

Nous pouvons utiliser la spectroscopie UV-Vis pour :

  • Déterminer la concentration de molécules absorbant les UV ou d'ions métalliques.
  • Déterminer la pureté d'un échantillon qui absorbe la lumière UV appliquer la loi de Beer.
  • Trouver les concentrations relatives dans un échantillon.

La spectroscopie UV-Vis est généralement utilisée sur des échantillons qui se trouvent dans une solution aqueuse.

Spectroscopie de masse

Le dernier type de spectroscopie qui pourrait être mentionné est la spectroscopie de masse. La spectroscopie de masse est très différente des autres types de spectroscopie mentionnés. La spectrométrie de masse utilise des électrons à haute énergie pour "attaquer" un échantillon, ce qui force l'ionisation de l'échantillon. L'échantillon est alors "divisé" en plusieurs ions.

Cela signifie que si l'on prend une molécule et qu'on la passe dans un spectromètre de masse, elle peut être "cassée" en différents ions à différents endroits de la molécule, ce qui produit des données incroyablement complexes.

Nous nous intéressons davantage à ce qui se passe si nous introduisons un échantillon d'un élément pur dans un spectromètre de masse. Si nous faisons cela, il s'avère que l'échantillon se divise en atomes de masses différentes. Ce sont les différents isotopes d'un élément !

Rappelle-toi que les isotopes sont des atomes avec une quantité différente de neutrons.

Cela signifie que la spectroscopie de masse peut être utilisée pour prouver l'existence du neutron.

La spectroscopie de masse utilise des électrons à haute énergie pour "attaquer" un échantillon et le diviser en plusieurs ions ou, dans le cas d'échantillons d'éléments purs, en isotopes. Elle est utilisée pour déterminer l'abondance relative de ces ions ou isotopes.

Un spectre de spectroscopie de masse peut ressembler à ceci :

Spectroscopie Exemple dessiné de cuivre sous spectroscopie de masse StudySmarterFig.5- Exemple dessiné de cuivre sous spectroscopie de masse.

Ce graphique signifie que le \( ^{63}Cu \) est abondant à \( 69 \% \) , tandis que le \( ^{65}Cu \) l'est à \( 31 \% \) . N'oublie pas de noter également le rapport masse/charge, qui peut aussi s'écrire \( m/z \) .

Nous pouvons utiliser la spectroscopie de masse pour :

  • Déterminer l'abondance de différents isotopes élémentaires.
  • Prouver l'existence du neutron.

Dans le cours de chimie avancé, seuls les échantillons d'éléments purs sont analysés.

Spectroscopie - Points clés

  • Le spectre électromagnétique est constitué de différentes formes de rayonnement électromagnétique qui existent dans différentes longueurs d'onde.
  • La spectroscopie photoélectrique détecte l'énergie d'ionisation provenant de l'élimination des électrons un par un avec des rayons X ou UV. Elle révèle des informations sur les atomes individuels et leurs orbitales dans des échantillons gazeux ou solides.
  • La spectroscopie infrarouge détecte l'énergie des vibrations des liaisons pour révéler des informations sur les groupes fonctionnels et la connectivité des liaisons dans les solutions et les échantillons solides.
  • La spectroscopie UV-Vis détecte l'énergie provenant de l'excitation des électrons à différentes longueurs d'onde pour déterminer où se produit l'absorption maximale.
  • Les molécules riches en liaisons \( \pi \) ou les cations métalliques sont généralement utilisés comme échantillons dans les solutions aqueuses.
  • La spectroscopie de masse utilise des électrons à haute énergie pour "attaquer" un échantillon et le diviser en plusieurs ions ou, dans le cas d'échantillons d'éléments purs, en isotopes.
  • Elle est utilisée pour trouver l'abondance relative de ces ions ou isotopes.

Questions fréquemment posées en Spectroscopie

Le principe de la spectroscopie est basé sur l'absorption de la lumière par la majorité des molécules du spectre électromagnétique et la conversion de cette absorption en vibration moléculaire.

 On utilise la spectroscopie afin d'identifier une substance sur la base de la caractérisation des spectres

La spectroscopie étudie le rayonnement électromagnétique produit par un système ou l'interaction entre le système et la lumière, généralement de manière non destructive. 

La spectrométrie est la mesure du rayonnement électromagnétique pour obtenir des informations sur un système. En d'autres termes, la spectrométrie peut être considérée comme une méthode d'étude des spectres.

Un spectrophotomètre est un instrument qui mesure la quantité de photons (l'intensité de la lumière) absorbés après avoir traversé une solution échantillon.

Avec un spectrophotomètre, il est possible de déterminer diverses caractéristiques de l'échantillon, comme la concentration de la solution.

Évaluation finale de Spectroscopie

Question

À quoi sert la spectroscopie de masse ?

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Réponse

Déterminer l'abondance de différents isotopes élémentaires


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Question

Sur quelles parties du spectre électromagnétique la spectroscopie peut-elle être réalisée ?



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Réponse

Toutes les parties

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Question

Quel est le principe de la spectroscopie ?

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Réponse

Utiliser le rayonnement électromagnétique pour sonder la structure chimique

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Question

À quoi sert la spectroscopie ?

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Réponse

La spectroscopie est utilisée pour déterminer la structure chimique

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Question

Quels sont les 3 types de spectroscopie de base ?

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Réponse

IR, UV-Vis, Spectrométrie de masse

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Question

Qu'est-ce que le spectre électromagnétique : définition simple ?

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Réponse

Le spectre électromagnétique caractérise et organise les différentes formes de rayonnement électromagnétique en fonction de leurs différentes longueurs d'onde.

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Question

Qu'est-ce que le rayonnement ?

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Réponse

Le rayonnement est simplement de l'énergie qui se déplace (généralement sous forme d'ondes) et se propage en se déplaçant.

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Question

Qu'est-ce que la spectroscopie ?

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Réponse

La spectroscopie est la science qui permet d'identifier une substance à partir de la caractérisation des spectres.

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Question

Qu'est-ce que la PES ?

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Réponse

La spectroscopie photoélectronique détecte l'énergie d'ionisation provenant de l'enlèvement des électrons un par un avec des rayons X ou UV. Elle révèle des informations sur les atomes individuels et leurs orbitales dans des échantillons gazeux ou solides.

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Question

À quoi pourrait-on utiliser la spectroscopie photoélectrique ?


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Réponse

Déterminer l'élément spécifique avec lequel nous travaillons.



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Question

Qu'est-ce que la spectroscopie IR ?

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Réponse

La spectroscopie infrarouge (IR) détecte l'énergie des vibrations des liaisons pour révéler des informations sur les groupes fonctionnels et la connectivité des liaisons dans les solutions et les échantillons solides.

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Question

A quoi sert la spectroscopie IR ?

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Réponse

Nous pouvons utiliser la spectroscopie IR pour


  • Déterminer quels groupes fonctionnels composent une molécule
  • Déterminer la connectivité des liaisons au sein d'une molécule

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Question

Qu'est-ce que la spectroscopie UV-Vis ?

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Réponse

La spectroscopie UV-Vis détecte l'énergie provenant de l'excitation des électrons à différentes longueurs d'onde pour déterminer où se produit l'absorbance maximale. Les molécules riches en double liaison ou les cations métalliques sont généralement utilisés comme échantillons dans les solutions aqueuses.

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Question

À quoi sert la spectroscopie UV-Vis ?


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Réponse

On peut utiliser la spectroscopie UV-Vis pour :


  • Déterminer la concentration de molécules absorbant les UV ou d'ions métalliques
  • Déterminer la pureté d'un échantillon qui absorbe la lumière UV
  • Appliquer la loi de Beer pour déterminer les concentrations relatives dans un échantillon.

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Question

Qu'est-ce que la spectroscopie de masse ?

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Réponse

La spectroscopie de masse utilise des électrons à haute énergie pour "attaquer" un échantillon et le diviser en plusieurs ions ou, dans le cas d'échantillons d'éléments purs, en isotopes. Elle est utilisée pour déterminer l'abondance relative de ces ions ou isotopes.

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Question

La spectrométrie de masse caractérise et organise les différentes formes de rayonnement électromagnétique en fonction de leurs différentes longueurs d'onde.

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Réponse

Faux

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Question

La spectroscopie est la science qui permet d'identifier la masse d'une substance.


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Réponse

Faux

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