Théorie de la spectroscopie infrarouge, méthode et utilisations

Le spectroscopie infrarouge C'est l'étude de la façon dont les molécules absorbent le rayonnement infrarouge et le convertissent finalement en chaleur.

Ce processus peut être analysé de trois manières: mesurer l'absorption, l'émission et la réflexion. Cette précision fait de la spectroscopie infrarouge l'une des techniques d'analyse les plus importantes dont disposent les scientifiques aujourd'hui.

L'un des grands avantages de la spectroscopie infrarouge est que pratiquement tous les échantillons peuvent être étudiés dans presque tous les états.

Les liquides, les poudres, les films, les solutions, les pâtes, les fibres, les gaz et les surfaces peuvent être examinés avec un choix judicieux de la technique d’échantillonnage. Grâce à l’amélioration de l’instrumentation, diverses nouvelles techniques sensibles ont été mises au point pour examiner des échantillons auparavant intraitables.

La spectroscopie infrarouge, parmi de nombreuses autres utilisations et applications, est utile pour mesurer le degré de polymérisation dans la fabrication des polymères. Les modifications de la quantité ou du caractère d'un lien particulier sont évaluées en mesurant une fréquence spécifique dans le temps.

Les instruments de recherche modernes peuvent prendre des mesures infrarouges sur toute la plage d'intérêt aussi souvent que 32 fois par seconde.

Cela peut se faire pendant que des mesures simultanées sont effectuées en utilisant d'autres techniques, rendant les observations des réactions chimiques et des processus plus rapides et plus précises.

Théorie de la spectroscopie infrarouge

Un outil inestimable dans la détermination et la vérification des structures organiques implique la classe de rayonnement électromagnétique (REM) avec des fréquences comprises entre 4000 et 400 cm-1 (nombre d'ondes).

La catégorie de rayonnement EM est appelée rayonnement infrarouge (IR) et son application à la chimie organique appelée spectroscopie IR.

Le rayonnement dans cette région peut être utilisé dans la détermination de la structure organique en utilisant le fait qu'il est absorbé par les liaisons interatomiques dans les composés organiques.

Les liaisons chimiques dans différents environnements absorbent des intensités variables et des fréquences variables. Par conséquent, la spectroscopie IR implique la collecte des informations d'absorption et leur analyse sous la forme d'un spectre.

Les fréquences dans lesquelles il existe des absorptions de rayonnement infrarouge (pics ou signaux) peuvent être directement corrélées avec les liaisons au sein du composé en question.

Parce que chaque lien interatomique peut vibrer dans plusieurs mouvements différents (étirement ou flexion), les liaisons individuelles peuvent absorber plus d'une fréquence IR.

Les absorptions d'étirement ont tendance à produire des pics plus forts que la flexion, cependant des absorptions de flexion plus faibles peuvent être utiles pour différencier des types de liaison similaires (par exemple, la substitution aromatique).

Il est également important de noter que les vibrations symétriques ne provoquent pas l'absorption du rayonnement IR. Par exemple, aucune des liaisons carbone-carbone de l'éthylène ou de l'éthylène n'absorbe le rayonnement infrarouge.

Méthodes instrumentales de détermination de la structure

Résonance magnétique nucléaire (RMN)

Excitation du noyau d'atomes par irradiation par radiofréquence. Il fournit des informations détaillées sur la structure moléculaire et la connectivité des atomes.

Spectroscopie infrarouge (IR)

Il consiste à déclencher des vibrations moléculaires par irradiation avec la lumière infrarouge. Il fournit principalement des informations sur la présence ou l'absence de certains groupes fonctionnels.

Spectrométrie de masse

Bombardement de l'échantillon avec des électrons et détection des fragments moléculaires résultants. Il fournit des informations sur la connectivité de la masse moléculaire et des atomes.

Spectroscopie ultraviolette (UV)

Promotion des électrons à des niveaux d'énergie plus élevés en irradiant la molécule avec de la lumière ultraviolette. Il fournit des informations sur la présence de systèmes π conjugués et de liaisons doubles et triples.

Spectroscopie

C'est l'étude de l'information spectrale. Après irradiation à la lumière infrarouge, certaines liaisons réagissent plus rapidement par vibration. Cette réponse peut être détectée et traduite en une représentation visuelle appelée spectre.

Processus d'interprétation du spectre

1. Reconnaître un motif.
2. Associer des motifs à des paramètres physiques.
3. Identifier les significations possibles, c'est-à-dire proposer des explications.

Une fois qu'un spectre est obtenu, le principal défi est d'extraire les informations qu'il contient sous forme abstraite ou cachée.

Cela nécessite la reconnaissance de certains modèles, l'association de ces modèles avec des paramètres physiques et l'interprétation de ces modèles en termes d'explications significatives et logiques.

Spectre électromagnétique

La plupart des techniques de spectroscopie organique utilisent l’énergie électromagnétique, ou rayonnement, comme stimulus physique. L'énergie électromagnétique (telle que la lumière visible) n'a pas de composante de masse détectable. En d'autres termes, on peut l'appeler "énergie pure".

D'autres types de rayonnements, tels que les rayons alpha, constitués de noyaux d'hélium, ont une composante de masse détectable et ne peuvent donc pas être classés comme énergie électromagnétique.

Les paramètres importants associés au rayonnement électromagnétique sont:

• Energie (E): L'énergie est directement proportionnelle à la fréquence et inversement proportionnelle à la longueur d'onde, comme indiqué dans l'équation ci-dessous.

• Fréquence (μ)
• Longueur d'onde (λ)
• Equation: E = hμ

Modes vibratoires

• Les liaisons covalentes peuvent vibrer de plusieurs manières, y compris l'étirement, le basculement et les ciseaux.

• Les bandes les plus utiles dans un spectre infrarouge correspondent à des fréquences d'étirement.

Transmission vs Absorption

Lorsqu'un échantillon chimique est exposé à l'action de la lumière infrarouge (IR LIGHT), il peut absorber certaines fréquences et transmettre le reste. Une partie de la lumière peut également être renvoyée à la source.

Le détecteur détecte les fréquences transmises et révèle ainsi les valeurs des fréquences absorbées.

Un spectre IR en mode absorption

Le spectre IR est essentiellement un graphique des fréquences transmises (ou absorbées) contre l'intensité de la transmission (ou absorption). Les fréquences apparaissent sur l'axe des x en unités de centimètres inverses (nombre d'ondes) et les intensités sont représentées sur l'axe des y et en pourcentage. Le graphique montre un spectre en mode absorption:

Un spectre IR en mode transmission

Le graphique montre un spectre en mode transmission. C'est la représentation la plus utilisée et celle que l'on trouve dans la plupart des ouvrages de chimie et de spectroscopie.

Utilisations et applications

La spectroscopie infrarouge étant une technique simple et fiable, elle est largement utilisée en synthèse organique, en science des polymères, en ingénierie pétrochimique, dans l'industrie pharmaceutique et dans l'analyse des aliments.

De plus, comme les spectromètres FTIR peuvent être désinfectés par chromatographie, le mécanisme des réactions chimiques et la détection de substances instables peuvent être étudiés avec de tels instruments.

Certaines utilisations et applications incluent:

Contrôles de qualité

Il est utilisé dans des applications de contrôle qualité, de mesure dynamique et de surveillance, telles que la mesure à long terme sans surveillance des concentrations de CO2 dans les serres et les chambres de croissance utilisant des analyseurs de gaz infrarouges.

Analyse médico-légale

Il est utilisé dans les analyses judiciaires dans les affaires pénales et civiles, par exemple dans l’identification de la dégradation des polymères. Il peut être utilisé pour déterminer le taux d'alcoolémie d'un conducteur soupçonné d'être ivre.

Analyse d'échantillons solides sans besoin de couper

Un moyen utile d'analyser des échantillons solides sans avoir à les couper consiste à utiliser la spectroscopie ATR ou à réflectance totale atténuée. En utilisant cette approche, les échantillons sont pressés contre la face d'un monocristal. Le rayonnement infrarouge traverse le cristal et n'interagit avec l'échantillon qu'à l'interface entre les deux matériaux.

Analyse et identification des pigments

La spectroscopie IR a été utilisée avec succès pour l’analyse et l’identification de pigments dans les peintures et autres objets d’art, tels que les manuscrits enluminés.

Utilisation dans l'industrie alimentaire

Une autre application importante de la spectroscopie infrarouge concerne l'industrie alimentaire pour mesurer la concentration de divers composés dans différents produits alimentaires.

Études de précision

Avec l'augmentation de la technologie en matière de filtrage informatique et de manipulation des résultats, les échantillons en solution peuvent désormais être mesurés avec précision. Certains instruments vous indiqueront également automatiquement quelle substance est mesurée à partir d'un stock de milliers de spectres de référence stockés.

Tests sur le terrain

Les instruments sont maintenant petits et peuvent être transportés, même pour des essais sur le terrain.

Fuites de gaz

La spectroscopie infrarouge est également utilisée dans les dispositifs de détection de fuite de gaz tels que DP-IR et EyeCGA. Ces dispositifs détectent les fuites de gaz d'hydrocarbures dans le transport du gaz naturel et du gaz brut.

Utiliser dans l'espace

La NASA utilise une base de données très récente, basée sur la spectroscopie infrarouge, pour le suivi des hydrocarbures aromatiques polycycliques dans l'univers.

Selon les scientifiques, plus de 20% du carbone de l'univers peut être associé aux hydrocarbures aromatiques polycycliques, matières premières possibles pour la formation de la vie.

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques semblent avoir été formés peu après le Big Bang. Ils sont largement répandus dans l’univers et sont associés à de nouvelles étoiles et exoplanètes.

Références

1. Nancy Birkner (2015). Mind Touch. Comment fonctionne un spectromètre FTIR. Extrait de: mindtouch.com.
2. Cortes (2006). Théorie et interprétation des spectres IR. Pearson Prentice Hall. Récupéré de: utdallas.edu.
3. Barbara Stuart (2004). Spectroscopie infrarouge. Wiley Extrait de: kinetics.nsc.ru.
4. Wikipedia (2016). Spectroscopie infrarouge. Wikipedia, l'encyclopédie libre.Extrait de: en.wikipedia.org.