Chapitre ​3 : Des ondes pour sonder
​ ​ Synthèse
la matière
Problème 1 :​ ​Quels sont les phénomènes physiques à l’origine
​
des couleurs des couleurs?
1) ​Qu’est ce que la couleur ?
La couleur est la perception que nous avons des différentes longueurs d'ondes qui
constituent la lumière visible. Cet ensemble de longueurs d'ondes qu'on appelle le spectre de la
lumière qui se situe entre 400 et 800 nanomètres (environ). Ce qui ne représente qu’une infime
partie du spectre électromagnétique comme il est montré ci-dessous




2) ​Comment est-elle générée ?
Voici une image qui regroupe tous les procédés
qui sont à l’origine des couleurs dont nous
distinguons deux grandes catégories :
- L’émission de lumière par processus physique
ou chimique
- L’interaction entre la lumière et la matière
que nous pouvons découper en sous-parties;
● Couleur luminescente : émission de lumière provenant d’un corps via l’émission de
photons obtenu par un processus physique (électroluminescence) ou chimique
(​chimiluminescence​, bioluminescence, photoluminescence) sans changement de température
● Couleur incandescente ​: émission de lumière provenant d’un corps due à la chaleur de
celui-ci.
● Couleur par absorption​ : certaines molécules contenues dans un objet absorbent des
longueurs d’ondes dans le spectre visible (entre le violet et le rouge) et réfléchissent le reste
 ce qui donne la couleur de l’objet. De plus la molécule doit posséder au moins 7 liaisons
conjuguées (C-C=C-C : alternance entre doubles liaisons et liaisons simples) pour pouvoir
absorber dans le spectre visible.
● Couleur par diffusion​ : phénomène par lequel un rayonnement comme la lumière est dévié
dans de multiples directions par une interaction avec des objet, comme par exemple la
fumée, ou le bleu du ciel.
● Couleur par réfraction : la réfraction dévie une onde lorsque sa vitesse change en passant
d'un milieu à un autre. Elle décompose la lumière blanche en ses différentes composantes
pour former un arc-en-ciel par exemple.
● Couleur par diffraction et interférence : Prenons l’exemple de la bulle vu en cours, les
bulles suffisamment minces présentent des zones colorées dues aux interférences entre les
rayons réfléchis sur la face externe de la paroi et ceux réfléchis sur la face interne ;
l’épaisseur étant du même ordre de grandeur que les longueurs d’ondes de la lumière
blanche, certaines radiations de la lumière blanche sont affaiblies et d’autres renforcées, de
sorte que la lumière réfléchie résultante n’est plus blanche, mais colorée.



Problème 2 : ​Quelles sont les principes de la spectroscopie ?
Comment la spectroscopie infrarouge est-elle utilisée pour
déterminer la nature d’une molécule ?

Principe de la spectroscopie :

​La spectroscopie est la décomposition, par exemple par un prisme​, de la lumière visible émise
(​spectrométrie d'émission​) ou absorbée (​spectrométrie d'absorption​) par l'objet à étudier. Il existe un
autre outil que le prisme (qui est un milieu dispersif), permettant la dispersion de la lumière : le
réseau de diffraction qui se ​compose d'une série de fentes parallèles (réseau en transmission), ou de
rayures réfléchissantes (réseau en réflexion).
 La spectroscopie infrarouge :
Ce type de spectroscopie est utilisé pour identifier les différents types de liaisons présentes
dans une molécule organique à l’aide d’une table spectroscopique IR (voir ci-dessous)




Quelque soit l'état ( solide, liquide ou gazeux ), les atomes d'une molécule ne sont jamais
totalement immobiles: ils sont dotés de mouvements de vibration qui modifient légèrement et
périodiquement la longueur et l'orientation des liaisons. Les molécules organiques peuvent absorber
des rayonnements infrarouge qui modifient l'état de vibration de leurs liaisons. La longueur d'onde
de ces rayonnements dépend principalement de la nature des atomes liés et du type de liaison (
simple, double ou triple ) mais aussi des liaisons voisines et du solvant utilisé.


Tracé d'un spectre infrarouge :
L'axe des abscisses: ​Il comporte le nombre d'onde noté σ ( lettre grecque sigma ) qui correspond à
l'inverse de la longueur d'onde:




L'axe des ordonnées: ​Il comporte la transmittance qui est une grandeur notée T, sans unité mais
en général exprimée sous forme d'un pourcentage et définie par la relation:
T = (I/I0) x 100 où I0 est l'intensité du rayonnement incident du spectroscope et I est l'intensité du
rayonnement après la traversée de la cuve du spectroscope.
La transmittance (T en %) exprime la proportion de rayonnement traversant la cuve sans être
absorbée:
- Si pour une longueur d'onde donnée il n'y a pas d'absorption alors T = 100 %
- Si pour une longueur d'onde donnée un rayonnement est totalement absorbé alors T = 0 %
 - Une absorption concerne, en général, non pas une longueur d'onde donnée mais un
intervalle de longueur d'onde qui peut avoir une amplitude variable: le spectre comporte alors une
" bande d'absorption " dirigée vers le bas. Ainsi il suffit de comparer les bandes d’absorptions avec
les valeurs du tableau pour en trouver la composition de la molécule.


Exemple de
spectre IR.




Problème 3 :​ ​Comment déterminer la concentration d’une
aaaaaaaaaa substance chimique avec un spectrophotomètre ?
Un spectrophotomètre est un appareil qui permet de mesurer l'​absorbance d'une ​solution à
une ​longueur d'onde​ donnée ou sur une région donnée du ​spectre​.




Remarque​: La transmission est le contraire de l’absorbance donc si une solution absorbe à
80% pour une longueur d’onde donnée, alors pour cette même longueur d’onde la transmittance
sera de 20% ( et inversement ).
 Selon la ​loi de Beer-Lambert​, l'absorbance d'une solution est proportionnelle à la
concentration des substances en solution, à condition de se placer à la longueur d'onde à laquelle la
substance absorbe les rayons lumineux et d'après la loi de Beer-Lambert :




est l’absorbance est la transmittance


est le coefficient d’extinction molaire est la longueur de la cuve
est la concentration molaire de la solution


Remarque​ : dépendent de la longueur d’onde à laquelle on se place et de
évidemment de l’espèce chimique


Donc via cette relation il est facile de retrouver la concentration molaire d’une substance chimique :




Ainsi il suffit de :
- connaître la longueur de la cuve ( que l’on
peut mesurer à la règle
- connaître l’absorbance pour longueur d’onde
donnée ( obtenue via un spectroscope comme
il est montré à gauche)
- connaître le coefficient d'extinction molaire
(c’est plus compliqué )



Pour connaître ce fameux coefficient, il faudrait, faire au préalable, une spectroscopie
infrarouge de la solution inconnue afin d’en connaître sa composition et par conséquent son nom.
Une fois cela fait, il faudrait aller chercher, dans l’idéal, ce même type de solution en laboratoire car
il sera noté sur cette solution la concentration molaire de celle-ci. Ainsi vous tracez la courbe de
l’absorbance en fonction de la longueur d’onde via un spectrophotomètre, puis vous vous placez à
la même longueur d’onde que votre pic d’absorption de votre solution dont vous cherchez la
concentration. Une fois cela fait vous pouvez calculer pour enfin revenir à votre première
équation où vous aviez 2 inconnus car il n’en reste désormais plus qu’un : la
concentration molaire.
 Problème 4 : ​Qu’est ce que la spectroscopie par résonance
magnétique ? Comments est-elle utilisée pour déterminer la
nature d’une molécule ?

La spectroscopie par résonance magnétique​, autrement dit la ​spectroscopie RMN repose
sur la détection du phénomène de RMN. Ce phénomène montre une propriété de certains noyaux
atomiques possédant un spin nucléaire. Lorsqu’ils sont placés dans un champ magnétique et
lorsqu'ils sont soumis à un rayonnement électromagnétique (le plus souvent appliqué sous forme
d'impulsions) les noyaux atomiques peuvent absorber l'énergie du rayonnement puis la relâcher lors
de la relaxation. L'énergie mise en jeu lors de ce phénomène de résonance correspond à une
fréquence très précise, dépendant du champ magnétique et d'autres facteurs moléculaires. Ce
phénomène permet donc l'observation des propriétés quantiques magnétiques des noyaux dans les
phases gaz, liquide ou solide. Seuls les atomes dont les noyaux possèdent un moment magnétique
donnent lieu au phénomène de résonance.
Autrement dit, le principe consiste à soumettre un échantillon à un très fort champ
magnétique ce qui permet d’aligner le spin des noyaux d’atome d’hydrogène. Ce champ est produ...