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Cours master 2 Protection des écosystèmes Écologie et environnement USTHB

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Cours de Chimie Analytique
USTHB/ Faculté des Sciences Biologiques
Master 2
Protection des écosystèmes (PE)
Pr. OULAD DAOUD BOUKRAA Fatima
Méthodes spectroscopiques
Spectroscopie moléculaire UV-visible
Spectroscopie atomique (SAA, SEA)
Spectroscopie Infrarouge
LES METHODES SPECTRALES
Généralités
I- Spectre électromagnétique et énergie des molécules et atomes
Figure 1
U n e r a d i a t i o n é l e c t r o m a g n é t i q u e
( m o n o c h r o m a t i q u e ) p r é s e n t e d e u x
composantes: un champ électrique (E) oscillant
perpendiculairement à un champ magnétique
(B). Elle est caractérisée par sa longueur d’onde
l (aspect ondulatoire) exprimée en (nm) et
son énergie hn ou hc/l exprimée en (joule ou
e V ) , po r t é e p a r l e s p h o t o n s ( a s p e c t
corpusculaire)
a) Décomposition du spectre électromagnétique en plusieurs régions
de la région
Tableau 1
https://youtu.be/l9ATMBC6swc
En 1666 Newton a pu décomposer
les couleurs de la lumière solaire
(visible ou blanche) en la dispersant
utilisant un prisme.
Chaque couleur est caractérisée par
une longueur d’onde λ et une
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  • 1. Cours de Chimie Analytique USTHB/ Faculté des Sciences Biologiques Master 2 Protection des écosystèmes (PE) Pr. OULAD DAOUD BOUKRAA Fatima Méthodes spectroscopiques Spectroscopie moléculaire UV-visible Spectroscopie atomique (SAA, SEA) Spectroscopie Infrarouge
  • 3. Généralités I- Spectre électromagnétique et énergie des molécules et atomes Figure 1 U n e r a d i a t i o n é l e c t r o m a g n é t i q u e ( m o n o c h r o m a t i q u e ) p r é s e n t e d e u x composantes: un champ électrique (E) oscillant perpendiculairement à un champ magnétique (B). Elle est caractérisée par sa longueur d’onde l (aspect ondulatoire) exprimée en (nm) et son énergie hn ou hc/l exprimée en (joule ou e V ) , po r t é e p a r l e s p h o t o n s ( a s p e c t corpusculaire)
  • 4. a) Décomposition du spectre électromagnétique en plusieurs régions
  • 5. de la région Tableau 1 https://youtu.be/l9ATMBC6swc
  • 6. En 1666 Newton a pu décomposer les couleurs de la lumière solaire (visible ou blanche) en la dispersant utilisant un prisme. Chaque couleur est caractérisée par une longueur d’onde λ et une énergie E ainsi que toutes les r a d i a t i o n s d u s p e c t r e électromagnétique.
  • 7. Effet de la lumière sur les objets
  • 8. Energie des molécules et des atomes A cause des électrons qui composent une molécule, et surtout les électrons de liaisons, celle-ci possède une énergie électronique (Eele). Elle est constituée d’atomes qui vibrent le long de l’axe de liaison donc elle possède une énergie de vibration (Evib ). Les atomes sont en perpétuelle rotation autour de l’axe de liaison dans une molécule donc Erot , d où l’énergie totale Et : ��= ����+ ����� + ���� avec �����>����>���� L’existence de différents niveaux électroniques et sous niveaux d’énergie vibrationnels et rotationnels permet d’expliquer le phénomène d’absorption des molécules. Cette absorption n’est possible que si l’énergie du photon E= hn , correspond à la différence entre deux niveaux d’énergie. On provoque le passage d’un électron du niveau fondamental Ef à un niveau E*, si l absorbée est située dans la région UV-visible (10 à 800 nm) D E = E*-Ef = hn C’est une transition électronique. Figure 2: a) Représentation schématique de niveaux énergétiques des molécules
  • 9. Energie des atomes Les atomes possèdent une énergie électronique due à la présence des électrons dans les couches externes (figure ci-contre). L’a b s o r p t i o n d e r a d i a t i o n s s’accompagne de transfert d’énergie des photons vers les atomes libres et donc à l’état gazeux, selon le même principe que les molécules. Figure 2:Représentation schématique de niveaux énergétiques des atomes
  • 10. Gustave Kirchhoff 1824-1887 II- Différents types de spectres (loi de Kirchcoff) Fil en tungstène Na Gaz de sodium https://pg-astro.fr/grands-astronomes/l-ere- moderne/gustav-kircchoff.html Le retour à l’état fondamental s’effectue par émission de radiation lumineuse Figure 3
  • 12. Wilhelm Wien 1864-1928 Figure 4: Spectre d’un émetteur incandescent (corps noir) chauffé à différentes températures Un corps noir peut être le filament d’une lampe électrique portée à incandescence. Plus on augmente la température, plus on tend vers l’UV voir figure ci- contre et plus l’intensité lumineuse augmente et la longueur d’onde d’émission dépend de la température, par la loi de Wien:
  • 13. L’étude de l’absorption des radiations UV-visible par les molécules (organiques ou inorganiques) fait l’objet de la spectroscopie moléculaire UV-visible, qui a pour but d’interpréter les spectres moléculaires électroniques pour caractériser les substances et ensuite les doser (analyse qualitative et quantitative). Figure 5: Exemple d’un spectre continu moléculaire ou spectre d’absorption uv-visible (enregistré) Spectre continu (absorption et émission)
  • 14. Figure 6: Spectre continu d’émission de la lumière visible Spectre discontinu (absorption et émission) ou spectres atomiques Spectre d’émission discontinu ou spectre des raies caractéristiques des atomes à l’état libre, (les raies sont claires ou colorées sur un fond sombre Spectre d’absorption discontinu ou spectre des raies caractéristiques des atomes à l’état libre (les raies sont noires sur fond un coloré
  • 15. Figure 8: Deux représentations du spectre d'une lampe à vapeur de mercure à basse pression. Intensité émise l(nm)
  • 16. En absorbant des radiations de l plus élevée (>780 nm) et donc d’énergie plus faible, c.-à-d. l située dans la région infrarouge (IR), c’est l’état vibrationnel et rotationnel qui est modifié. La molécule tout en étant à l’état fondamental va changer de mode vibration en provoquant une transition vibrationnel qui correspond à un spectre de vibration rotation ou spectre Infra rouge dont l’interprétation relève de la spectroscopie infra rouge (appliqué à l’analyse qualitative des composés organiques).
  • 17. III- Absorption dans le visible: notions de couleurs La lumière solaire ou lumière blanche est une superposition de toutes les couleurs (ou de toutes les radiations visibles), qui dispersées par un prisme conduisent au spectre solaire ou spectre visible. C’est une région intéressante à étudier car les longueurs d’ondes sont perçues par l’œil humain qui fait la distinction non seulement entre les couleurs mais l’intensité d’une même couleur. L’œil joue le rôle de détecteur de couleurs auxquelles il est sensible. Les couleurs primaires, en synthèse additive, sont le bleu, le rouge et le vert. Superposés, elles constituent le blanc. D’où la notion de couleurs complémentaires: -du rouge blanc – rouge = (bleu + vert) = cyan (bleu ciel) - du vert blanc – vert = (rouge + bleu ) = magenta (rose violacé) - du bleu blanc – bleu = (rouge +vert) = jaune Tableau II: Couleurs complémentaires en lumière blanche
  • 19. La perception visuelle d’une couleur provient de l’absorption sélective de certaines longueurs d’onde (certaines radiations) de la lumière blanche. En effet, quand un objet est éclairé par de la lumière blanche, certaines l sont absorbées par l’objet. Les radiations transmises ou réfléchies (donc non absorbées) constituent la couleur de l’objet. C’est Maxwell (1831-1879) qui démontre que toutes les nuances peuvent être obtenue à partir de trois teintes fondamentales (couleurs primaires) le Rouge, le Vert et le Bleu.
  • 20. On peut se servir de ces cercle colorés pour déterminer la couleur d’un objet, la couleur absorbée par l’objet (couleur complémentaire). Remarques: - Un objet blanc : l’absorption des couleurs est faible et il transmet toutes les couleurs du visible : c’est un objet froid - Un objet noir : toutes les couleurs sont absorbées (une infime partie est réfléchie) → couleur chaude
  • 21. Spectre de la lumière visible (spectre de référence) Spectre d’absorption de la carotène (spectre d’absorption)