Méthodes spectroscopiques

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’interaction de la lumière avec la matière est intimement liée à la structure énergétique de
cette dernière. Il est donc possible en analysant le devenir de la lumière par passage dans un
matériau d’avoir accès à des informations précieuses sur celui-ci. Selon l’énergie du rayonnement incident, on pourra obtenir des renseignements sur la structure électronique d’une entité,
la nature des liaisons chimiques présentes ou encore sur la disposition relative des noyaux. Dans
les programmes actuels de physique-chimie de l’enseignement secondaire, les élèves sont confrontés
notamment à la spectroscopie UV-Visible, à la spectroscopie IR (infrarouge) et à la spectroscopie
de RMN (résonance magnétique nucléaire).
Cet article a pour but de rappeler quelques notions de spectroscopies tout en indiquant des références permettant de les approfondir. Pour une approche plus complète,
on pourra consulter l’article de l’arpenteur du web correspondant :
? Guy Bouyrie, « L’arpenteur du web : spectroscopies VIS, IR, UV et RMN », Bull.
Un. Prof. Phys. Chim., vol. 108, n° 961, p. 331-348, février 2014.
Dans cet article, après un rappel sur les principes des différentes spectroscopies, un panorama des
ressources disponibles en ligne est présenté.
1. PRINCIPE DE LA SPECTROSCOPIE D’ABSORPTION
1.1. Quantification de l’énergie et spectroscopie
Les niveaux d’énergie d’une entité chimique sont quantifiés, cela signifie que
seules certaines valeurs sont accessibles. La connaissance de l’énergie d’un photon
absorbé donne alors accès à la différence d’énergie entre deux niveaux.

Figure 1

L’énergie du photon absorbé ho est alors égale à la différence d’énergie entre les
niveaux E p – E n .
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Méthodes spectroscopiques en chimie

Méthodes spectroscopiques
en chimie

Le principe de la spectroscopie d’absorption consiste à envoyer un rayonnement
d’intensité I 0 sur un échantillon à étudier. On mesure l’intensité transmise I à la sortie
de l’échantillon et on définit l’absorbance A comme
I
A = log 10 I0 .
(1)
1.2. Loi de Beer-Lambert
Il est possible de relier l’absorbance d’une solution à sa concentration par la loi
de Beer-Lambert :
(2)
A = f,c
où c est la concentration de l’espèce qui absorbe, , la longueur du trajet optique dans
la solution et f le coefficient d’absorption molaire qui dépend de l’espèce chimique
étudiée et de la longueur d’onde du rayonnement.
Cette loi n’est valable que pour des solutions limpides et pas trop concentrées.
1.3. Vu dans Le Bup : la loi de Beer-Lambert
Dans cette rubrique, nous citons quelques articles récents du Bup qui présentent
une approche originale de la loi de Beer-Lambert. Chaque article sélectionné est référencé, avec un court résumé de présentation.
? Jonathan Piard, Jean-Pierre Placial-Marzin et Clément Doré, « Questionnement sur
la perception des couleurs : une illusion d’optique avec le bleu de bromophénol »,
Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 110, n° 987, p. 1167-1191, octobre 2016.
Dans cet article, après avoir rappelé dans une première partie l’origine de la couleur, il est
détaillé comment préparer une solution à base de BBP (bleu de bromophénol) qui permettra
à travers différentes expériences un questionnement sur la perception des couleurs par les êtres
humains et sur la loi de Beer-Lambert.
? Patrice Marchou, Renaud Mathevet, Étienne Jammes, Charlotte Fabre, Nabil
Lamrani, Sabine Martin, Jean-Paul Castro et Sebastian Staacks, « Une approche
quantitative de la loi de Beer-Lambert avec un smartphone (première partie) », Bull.
Un. Prof. Phys. Chim., vol. 113, n° 1017, p. 1079-1089, octobre 2019.
Cet article montre un réel usage scientifique permis par la qualité intrinsèque des capteurs intégrés aux smartphones. Il présente une étude détaillée de l’absorption de la lumière et sa comparaison avec les modèles physiques classiques. Les mesures et incertitudes associées permettent
une confrontation quanti-tative avec la loi de Beer-Lambert.
? Jonathan Piard et Jérôme Randon, « L’absorbance : comment rendre sa compréhension plus lumineuse aux yeux des apprenant•es », Bull. Un. Prof. Phys. Chim.,
vol. 115, n° 1037, p. 909-925, octobre 2021.
Dans cet article, les auteurs proposent de revenir sur la définition de l’absorbance et de discuter
notamment des imprécisions (voire incompréhensions) que peut induire l’illustration la plus
communément utilisée dans la littérature pour introduire cette notion. Pour remédier à celles-ci,
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2. SPECTROSCOPIE UV-VISIBLE
2.1. Principe
La spectroscopie UV-Visible permet d’étudier les transitions entre niveaux d’énergie électronique des entités. Une solution d’une entité aura la couleur complémentaire
de celle absorbée.
2.2. Vu dans Le Bup
La spectroscopie UV-Visible est indiquée dans les programmes pour son utilisation
dans les dosages par étalonnage ou pour l’identification d’une espèce chimique. Elle
peut également être mise à profit pour illustrer d’autres notions. Nous recensons ici
quelques articles de Bup utilisant la spectroscopie UV-Visible et abordant les notions
présentes dans les programmes actuels.
2.2.1. Dosages
? Antoine Le Lirzin, « Dosages spectrophotométriques et stœchiométrie de la dissolution : un (long) TP de première S », Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 113, n° 1011,
p. 213-218, février 2019.
Le dosage spectrophotométrique successif des ions ammonium et des ions fer contenus dans des
solutions de sulfates doubles de fer et d’ammonium permet de distinguer le sel de Mohr et l’alun
ferrique ammoniacal contenus dans deux flacons anonymés.
? Christine Simon, « Travaux pratiques d’actualité : vin bleu et sang bleu », Bull. Un.
Prof. Phys. Chim., vol. 114, n° 1026, p. 711-730, juillet-août-septembre 2020.
À l’issue d’une étude d’articles journalistiques et scientifiques traitant des vins bleus en 2019
d’une part et de la maladie nommée du sang bleu d’autre part, cet article présente des travaux
pratiques constituant trois applications possibles au lycée.
? Jonathan Piard, Laura Nodin, Franck Maisonneuve et Catherine Adam, « Méthode
des ajouts dosés : principe et applications », Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 108,
n° 965, p. 931-954, juin 2014.
Cet article expose les principes et fondements de la méthode des ajouts dosés (aussi nommée
méthode des additions connues). Cette méthode constitue une alternative intéressante à la
méthode de la droite de calibration afin de déterminer la concentration d’un analyte donné.
Celle-ci possède notamment comme avantage la prise en compte des effets de matrice (i.e.
du réel milieu environnant de l’analyte). Les protocoles opératoires suivis sont détaillés et les
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ils proposent de détailler pourquoi il est nécessaire de prendre en compte toutes les contributions
à l’absorbance et comment est réalisée la mesure expérimentale de cette dernière. Le principe des
mesures dans le cas des spectrophotomètres simple et double faisceaux est exposé ainsi que les
conditions opératoires optimales dans chacun des cas. La dernière partie est consacrée à l’analyse
de la contribution des cuves et des solvants lors de l’enregistrement d’un spectre d’absorption.

résultats obtenus sont discutés et comparés à ceux obtenus dans la littérature par la méthode de
la droite d’étalonnage.
2.2.2. Suivi cinétique
? Arthur Saintier, « Suivi cinétique de la formation du diiode à l’aide d’un téléphone
portable », Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 114, n° 1022, p. 261-270, mars 2020.
Cet article présente une approche expérimentale utilisant le téléphone portable et les possibilités
qu’il offre dans le cadre d’une séance de travaux pratiques de chimie en classe de terminale
enseignement de spécialité. Cette séance a pour but de mettre en lumière le principe du suivi
cinétique d’une transformation chimique par mesure de l’absorption lumineuse.
? Sandrine Farina et Pascal Clerc, « Traitement de données cinétiques expérimentales
à l’aide de Python », Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 112, n° 1001, p. 363-376 ,
février 2018.
Cet article a pour objectif de montrer comment le langage Python peut être utilisé lors d’une
séance de travaux pratiques de cinétique chimique pour traiter des données expérimentales afin
d’avoir accès à divers paramètres cinétiques. La décoloration de l’érythrosine par les ions hypochloreux est suivie par spectrophotométrie visible.
? Kader Médjahdi, « Filtrage optique à absorbance variable : verre photochromique
pour lunettes », Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 110, n° 981, p. 267-273, février
2016.
Cet article présente une étude spectroscopique et cinétique du phénomène de photochromisme
mise en jeu dans un verre ophtalmique commercialisé pour la correction optique. L’étude des
spectres d’absorption induite par insolation ultraviolette à 365 nm montre que les caractéristiques spectrales restent identiques dans les phases d’assombrissement et d’éclaircissement du
verre. Les différents temps caractéristiques déterminés lors de l’étude cinétique des deux phases
précédentes montrent que plusieurs types de molécules photochromes sont utilisés pour générer
ce photochromisme. Ces observations expliquent l’effet global résultant de la combinaison des
effets de chaque photochrome incorporé dans le verre.
? Jonathan Piard, Clément Guibert, Corentin Dabard, Noémie Demurget, Mathis
Hitier, Nolwenn Mahieu et Lucas Mele, « Le photochromisme pour illustrer des notions de cinétique en terminale scientifique : partie B », Bull. Un. Prof. Phys. Chim.,
vol. 112, n° 1003, p. 667-682, avril 2018.
Dans cet article, après une brève introduction sur le phénomène de photochromisme, la réaction
photochrome dans le cas du 6-NO2-BIPS est examinée d’un point de vue cinétique. En effet,
ce composé peut subir une transformation réversible entre une forme normale (N) et une forme
mérocyanine (MC). La cinétique de retour thermique (MC " N) peut être étudiée au niveau
terminale scientifique (S). Cette réaction permet d’illustrer l’influence des facteurs cinétiques
température, solvant et concentration et aussi de déterminer le temps de demi-réaction.
2.2.3. Courbes de répartition
? Jonathan Piard, Ran Bi, Aurélien Brion, Rémi Perrin, Lei Shi, Clément Doré et
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3. SPECTROSCOPIE IR
3.1. Principe
La spectroscopie IR permet d’étudier les transitions entre niveaux d’énergie vibrationnelle d’une entité. Au niveau de l’enseignement, les spectres représentent le plus
souvent la transmittance en fonction du nombre d’onde. Si on trace l’absorbance en
ordonnée, il est alors possible d’utiliser la loi de Beer-Lambert.
3.2. Vu dans Le Bup
? Christophe Genin, « Présentation des spectres infrarouges », Bull. Un. Prof. Phys.
Chim., vol. 113, n° 1011, p. 185-190, février 2019.
Cet article évoque la présentation des spectres infrarouges et son évolution avec les instruments et les outils de traitements de données. Alors que traditionnellement la transmittance
était l’unité de mesure employée, l’absorbance la remplace plus fréquemment. En revanche, le
nombre d’onde demeure la référence même si l’échelle, elle, peut être inversée sur le graphique.
De nouvelles perspectives pédagogiques émergent qui relient plus logiquement les spectres infrarouges (IR) et les spectres UV-Visibles.
? Charlène Lucas-Valmalle, « Enquête policière et démarche d’investigation en filière
STL : introduction à l’analyse des spectres UV-Visible et infrarouge », Bull. Un. Prof.
Phys. Chim., vol. 110, n° 981, p. 243-266, février 2016.
Cet article présente une activité documentaire et expérimentale proposée à des élèves de la filière
STL-SPCL. Mettant en œuvre la démarche d’investigation au travers d’une tâche complexe
sur le thème d’une enquête de police scientifique, cette activité a pour objectif d’initier les élèves
à l’analyse des spectres UV-Visible et infrarouge. Au cours de l’activité, les élèves évoluent en
autonomie pour identifier les composés présents au sein d’échantillons prélevés sur une scène de
crime et résoudre l’enquête.
? Sylvain Clède, « Dosage par spectroscopie infrarouge : ùéthodologie pour établir une
courbe d’étalonnage / application à la détermination d’un coefficient de partage »,
Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 115, n° 1031, p. 219-232, février 2021.
Après avoir défini la notion de fenêtre de transparence spectrale d’un solvant, la courbe d’étalonnage de la cyclohexanone dans le cyclohexane est établie, permettant la détermination du
coefficient d’absorption molaire relatif à la liaison C=O en application de la loi de Beer-LamAccueil > Publications > Autres publications > À thèmes : méthodes spectroscopiques en chimie

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Gilles Clavier, « Utilisation d’un tampon universel pour l’étude d’indicateurs colorés
acido-basiques (par spectrophotométrie UV-Visible) - Partie A : famille des sulfonephtaléines », Bull. Un. Prof. Phys. Chim., vol. 113, n° 1014, p. 559-601, mai 2019.
Dans cet article, après avoir rappelé dans une première partie les définitions relatives aux
indicateurs colorés acido-basiques, il est mentionné dans une deuxième partie une méthode
expérimentale permettant de déterminer par spectrophotométrie UV-Visible le diagramme de
distribution et le pKa d’un couple acide base d’indicateurs colorés.

bert. Cette courbe est exploitée pour déterminer le coefficient de partage de cette cétone entre
l’eau et le cyclohexane.
4. SPECTROSCOPIE DE RMN
4.1. Principe
La spectroscopie de RMN est abordée en spécialité SPCL (Sciences physiques et
chimiques de laboratoire) de terminale STL (Sciences et technologies de laboratoire).
Comme son nom l’indique, il s’agit d’une spectroscopie de résonance et non d’absorption. Une onde magnétique va permettre d’analyser un écart entre les niveaux magnétiques de spin d’un noyau ce qui donnera des renseignements sur son environnement.
Lors de l’introduction en terminale scientifique en 2012, beaucoup de formations académiques ont été proposées. On pourra notamment consulter sur le site de l’académie
d’Orléans-Tours la conférence de Thomas Zabulon.
4.2. Détermination de structure
La spectroscopie de RMN est principalement utilisée en lien avec la spectroscopie IR pour la détermination de structure en chimie organique. Une vidéo du site
mediachimie montre un exemple intéressant et permet de voir un spectromètre RMN.
On pourra consulter également l’article suivant d’André Gilles :
? André Gilles, « Analyse des spectres IR et RMN d’une molécule », Bull. Un. Prof.
Phys. Chim., vol. 106, n° 948, p. 1057-1070, novembre 2012.
L’analyse des spectres IR et H-RMN d’une molécule de formule brute C4H8O est conduite
en attirant l’attention sur les conditions expérimentales d’enregistrement des spectres pris sur les
sites Internet où ils sont disponibles librement.

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