Spectroscopie

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.

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

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

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

Diagramme du spectre électromagnétique

Qu'est-ce que le spectre électromagnétique ?

Fig.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).

Fig.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 ?

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.

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 :

Fig.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 ?

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.

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

Fig.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.

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.

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 !

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

Un spectre de spectroscopie de masse peut ressembler à ceci :

Fig.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 \( m/z \) .

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