Physique-Chimie (Spé) — Constitution et transformations de la matière
Spectroscopie
Spectroscopie UV-visible, IR, RMN du proton, identification moléculaire
Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
La spectroscopie utilise l'interaction lumière-matière pour identifier des molécules. La spectroscopie UV-visible mesure l'absorbance $A$ d'une solution en fonction de la longueur d'onde ; la loi de Beer-Lambert $A = \varepsilon \times \ell \times C$ relie absorbance et concentration. La spectroscopie infrarouge (IR) détecte les liaisons chimiques par leurs vibrations caractéristiques : $\mathrm{O{-}H}$ large vers $3300\ \mathrm{cm^{-1}}$, $\mathrm{C{=}O}$ fin vers $1700\ \mathrm{cm^{-1}}$, $\mathrm{N{-}H}$ vers $3400\ \mathrm{cm^{-1}}$. La spectroscopie RMN du proton analyse l'environnement des atomes d'hydrogène : le déplacement chimique $\delta$ (en $\mathrm{ppm}$) indique le type d'environnement, la multiplicité (singulet, doublet, triplet) révèle le nombre de voisins (règle des $n+1$), et l'intégration donne le nombre relatif de protons.
La spectroscopie UV-visible exploite l'absorption de lumière par les molécules pour les identifier et les doser. C'est la base du dosage spectrophotométrique, très fréquent au Bac.
- Principe : une molécule absorbe certaines longueurs d'onde $\lambda$ de la lumière visible ou UV.
- Loi de Beer-Lambert : $A = \varepsilon \times \ell \times C$ ($A$ : absorbance ; $\varepsilon$ : coefficient d'absorption molaire ; $\ell$ : épaisseur de la cuve ; $C$ : concentration).
- L'absorbance est proportionnelle à la concentration $\rightarrow$ dosage spectrophotométrique.
- Le spectre d'absorption donne le maximum d'absorbance $\lambda_{\max}$ caractéristique de la molécule.
- La couleur perçue est la complémentaire de la couleur absorbée (ex : absorbe le bleu $\rightarrow$ paraît jaune/orange).
- Application : dosage d'espèces colorées en solution (ion permanganate $\mathrm{MnO_4^-}$, dichromate $\mathrm{Cr_2O_7^{2-}}$…).
Exemple
Une solution de permanganate absorbe à $\lambda_{\max} = 525\ \mathrm{nm}$ (vert). Elle paraît donc violette/rose (couleur complémentaire). Si $A = 0{,}8$ avec $\varepsilon = 2\,400\ \mathrm{L\cdot mol^{-1}\cdot cm^{-1}}$ et $\ell = 1\ \mathrm{cm}$, alors $C = \dfrac{A}{\varepsilon \times \ell} = \dfrac{0{,}8}{2400} = 3{,}3\times 10^{-4}\ \mathrm{mol/L}$.
Piège à éviter
La loi de Beer-Lambert n'est valable que pour des solutions diluées ($A < 2$ environ). Au-delà, la proportionnalité $A \propto C$ n'est plus respectée.
Le spectre IR est la « carte d'identité » des liaisons chimiques d'une molécule. Chaque liaison vibre à une fréquence propre, ce qui produit des bandes d'absorption caractéristiques.
Les bandes d'absorption IR permettent d'identifier les groupes fonctionnels présents dans la molécule.
- Principe : les liaisons chimiques vibrent à des fréquences caractéristiques dans l'infrarouge.
- Le spectre IR montre la transmittance (en %) en fonction du nombre d'onde $\sigma$ (en $\mathrm{cm^{-1}}$).
- Bandes caractéristiques : $\mathrm{O{-}H}$ libre (fine, $\approx 3600\ \mathrm{cm^{-1}}$), $\mathrm{O{-}H}$ lié (large, $3200$–$3400\ \mathrm{cm^{-1}}$).
- $\mathrm{C{=}O}$ : bande intense et fine vers $1700$–$1750\ \mathrm{cm^{-1}}$ (aldéhyde, cétone, acide, ester).
- $\mathrm{N{-}H}$ : bande vers $3300$–$3500\ \mathrm{cm^{-1}}$ (amine, amide).
- $\mathrm{C{-}H}$ : bandes vers $2800$–$3000\ \mathrm{cm^{-1}}$ (présentes dans presque toutes les molécules organiques).
- La zone d'empreinte digitale ($< 1500\ \mathrm{cm^{-1}}$) est propre à chaque molécule — comparaison avec des bases de données.
Exemple
Spectre IR de l'éthanol $\mathrm{CH_3CH_2OH}$ : bande large et intense vers $3200$–$3500\ \mathrm{cm^{-1}}$ ($\mathrm{O{-}H}$ lié), bandes $2800$–$3000\ \mathrm{cm^{-1}}$ ($\mathrm{C{-}H}$), pas de bande vers $1700\ \mathrm{cm^{-1}}$ (pas de $\mathrm{C{=}O}$). Conclusion : alcool, pas d'aldéhyde/cétone/acide.
Piège à éviter
Ne pas confondre $\mathrm{O{-}H}$ libre (fine, $\approx 3600\ \mathrm{cm^{-1}}$) et $\mathrm{O{-}H}$ lié par liaison hydrogène (large, $\approx 3200$–$3400\ \mathrm{cm^{-1}}$). En phase liquide, l'$\mathrm{O{-}H}$ est presque toujours lié $\rightarrow$ bande large.
Approfondissement : la RMN du proton n'est plus au programme de Terminale spécialité depuis la réforme de 2019 ; elle est présentée ici pour la culture scientifique et les études supérieures. La RMN du proton donne des informations sur l'environnement de chaque atome d'hydrogène : combien il y en a, où ils sont, et combien de voisins ils ont. C'est l'outil clé pour déterminer la structure d'une molécule.
- Principe : les noyaux ${}^{1}\mathrm{H}$ placés dans un champ magnétique absorbent des ondes radio à des fréquences caractéristiques.
- Déplacement chimique $\delta$ (en $\mathrm{ppm}$) : indique l'environnement électronique du proton.
- $\delta \approx 0$–$2\ \mathrm{ppm}$ : H sur C saturé (alkyle) ; $\delta \approx 2$–$4\ \mathrm{ppm}$ : H voisin d'un hétéroatome ; $\delta \approx 6$–$8\ \mathrm{ppm}$ : H aromatique ; $\delta \approx 9$–$10\ \mathrm{ppm}$ : H d'aldéhyde.
- Multiplicité (règle des $n+1$) : un groupe de protons ayant $n$ voisins équivalents donne un signal à $n+1$ pics.
- Singulet ($0$ voisin), doublet ($1$ voisin), triplet ($2$ voisins), quadruplet ($3$ voisins).
- L'intégration (aire sous le signal) est proportionnelle au nombre de protons équivalents.
Exemple
RMN de l'éthanol $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}OH}$ : triplet à $\delta \approx 1{,}2\ \mathrm{ppm}$ ($\mathrm{CH_3}$, $3\,\mathrm{H}$, $2$ voisins $\rightarrow$ t), quadruplet à $\delta \approx 3{,}7\ \mathrm{ppm}$ ($\mathrm{CH_2}$, $2\,\mathrm{H}$, $3$ voisins $\rightarrow$ q), singulet à $\delta \approx 2{,}6\ \mathrm{ppm}$ ($\mathrm{OH}$, $1\,\mathrm{H}$, échangeable).
Piège à éviter
La règle des $n+1$ ne compte que les protons voisins non équivalents au groupe considéré. Les protons d'un même groupe (ex : les $3\,\mathrm{H}$ de $\mathrm{CH_3}$) ne se « voient » pas entre eux.
Pour identifier une molécule inconnue, on croise les informations de plusieurs techniques : IR pour les groupes fonctionnels, RMN pour la structure, et la formule brute pour le degré d'insaturation. Au programme de Terminale, seules la spectroscopie UV-visible et IR sont exigibles : la RMN et le degré d'insaturation sont des approfondissements.
- Combiner IR + RMN + formule brute pour identifier la structure.
- IR $\rightarrow$ groupes fonctionnels présents (alcool, aldéhyde, acide, amine…).
- RMN $\rightarrow$ nombre de groupes de protons, leur environnement et le nombre de voisins.
- La formule brute donne le degré d'insaturation : $\mathrm{DI} = \dfrac{2C + 2 + N - H}{2}$ ($C$, $N$, $H$ = nombres d'atomes).
- $\mathrm{DI} = 0 \rightarrow$ molécule saturée ; $\mathrm{DI} = 1 \rightarrow$ une double liaison ou un cycle ; $\mathrm{DI} = 4 \rightarrow$ cycle aromatique probable.
Exemple
Molécule $\mathrm{C_3H_6O}$ : $\mathrm{DI} = \dfrac{2\times 3 + 2 - 6}{2} = 1$ (une insaturation). IR : bande intense à $1715\ \mathrm{cm^{-1}}$ ($\mathrm{C{=}O}$), pas de $\mathrm{O{-}H}$ large. RMN : un seul singulet $6\,\mathrm{H}$ (les deux $\mathrm{CH_3}$ équivalents). C'est la propanone (acétone) $\mathrm{CH_3{-}CO{-}CH_3}$.
Piège à éviter
$\mathrm{DI} = 4$ ne signifie pas toujours « cycle aromatique ». Ça peut être $4$ doubles liaisons, $2$ doubles liaisons $+$ $2$ cycles, etc. Il faut croiser avec l'IR et la RMN pour conclure.
Quiz - Spectroscopie
10 questions
S'entraîner
- Quiz : Spectroscopie10 questions corrigées sur ce chapitre
- Bac 2026 Physique-Chimie – MétropoleSujet officiel
- Bac 2025 Physique-Chimie – MétropoleSujet officiel
- Bac 2024 Physique-Chimie – MétropoleSujet officiel
- Annales du bac de Physique-ChimieTous les sujets officiels, par année
- Coefficient de Physique-Chimie au bacPoids de l'épreuve dans la note finale
- Aide aux devoirs de Physique-chimieLes notions qui bloquent en Terminale
Ce thème dans une autre classe
Notions clés — Physique-Chimie (Spé)
Articles utiles
Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur Spectroscopie, extraits du quiz de révision.
La loi de Beer-Lambert s'écrit :
Réponse :
$A = \varepsilon \times \ell \times C$
$A = \varepsilon \times \ell \times C$ avec $A$ l'absorbance (sans unité), $\varepsilon$ le coefficient d'absorption molaire ($\mathrm{L\cdot mol^{-1}\cdot cm^{-1}}$), $\ell$ l'épaisseur ($\mathrm{cm}$) et $C$ la concentration ($\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$).
Une bande large d'absorption IR vers $3200$–$3400\ \mathrm{cm^{-1}}$ indique la présence de :
Réponse :
$\mathrm{O{-}H}$ lié (liaison hydrogène)
La bande $\mathrm{O{-}H}$ liée par liaison hydrogène est caractéristiquement large et centrée vers $3200$–$3400\ \mathrm{cm^{-1}}$. Une bande $\mathrm{O{-}H}$ libre serait fine vers $3600\ \mathrm{cm^{-1}}$.
En RMN, la règle des $n+1$ signifie qu'un proton ayant $2$ voisins donne :
Réponse :
Un triplet
(RMN : hors programme, approfondissement.) Avec $n = 2$ voisins, le signal a $n+1 = 3$ pics, soit un triplet. Chaque voisin supplémentaire ajoute un pic au signal.
Le déplacement chimique $\delta \approx 9{,}5\ \mathrm{ppm}$ en RMN correspond à :
Réponse :
Un H d'aldéhyde ($\mathrm{CHO}$)
(RMN : hors programme, approfondissement.) Les protons d'aldéhyde ($\mathrm{CHO}$) résonnent vers $\delta \approx 9$–$10\ \mathrm{ppm}$, une valeur très élevée due au fort déblindage par le $\mathrm{C{=}O}$.