Spectroscopie infrarouge - Définition et Explications

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Introduction

La spectroscopie infrarouge (parfois désignée comme spectroscopie IR) est une classe de spectroscopie qui traite de la région infrarouge du spectre électromagnétique. Elle recouvre une large gamme de techniques, la plus commune étant un type de spectroscopie d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...). Comme pour toutes les techniques de spectroscopie, elle peut être employée pour l'identification de composés ou pour déterminer la composition d'un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...). Les tables de corrélation de spectroscopie infrarouge (La spectroscopie infrarouge (parfois désignée comme spectroscopie IR) est une classe de...) sont largement présentes dans la littérature scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...).

Base et théorie

La partie infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...) du spectre électromagnétique (Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement...) est divisée en trois régions : le proche, le moyen et le lointain infrarouges, nommés en relation avec le spectre visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre...). L'infrarouge lointain, allant approximativement de 400 à 10 cm-1 (1000–30 μm), mitoyen de la région micro-onde (Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire entre...), a une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) faible et peut être utilisé pour la spectroscopie rotationnelle (La spectroscopie rotationnelle, de rotation ou micro-onde étudie l'absorption et...). L'infrarouge moyen, allant approximativement de 4000 à 400 cm-1 (30–1,4 μm) peut être utilisé pour étudier les vibrations fondamentales et la structure rovibrationnelle associée. Le proche infrarouge, plus énergétique, allant approximativement de 14000 à 4 000 cm-1 (1,4–0,8 μm) peut exciter les vibrations harmoniques. Les dénominations et classifications de ces sous-régions sont essentiellement des conventions. Elles ne sont pas basées sur des divisions strictes ou sur des propriétés moléculaires ou électromagnétiques exactes.

La spectroscopie infrarouge exploite le fait que les molécules possèdent des fréquences spécifiques pour lesquelles elles tournent ou vibrent en correspondance (La correspondance est un échange de courrier généralement prolongé sur une longue période. Le...) avec des niveaux d'énergie discrets (modes vibratoires). Ces fréquences de résonance (La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques...) sont déterminées par la forme des surfaces d'énergie potentielle, les masses atomiques et par le couplage vibronique associé. Afin qu'un mode vibrationnel dans une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) soit actif dans l'infrarouge, il doit être associé à des modifications du dipôle (D'une manière générale, le mot dipôle désigne une entité qui possède deux pôles. On le...) permanent. En particulier, dans les approximations de Born-Oppenheimer et harmonique (Dans plusieurs domaines, une harmonique est un élément constitutif d'un phénomène périodique...), lorsque le hamiltonien moléculaire (En optique, comme en chimie quantique, « hamiltonien moléculaire » est le...) correspondant à l'état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus...) électronique peut être approximé par un oscillateur harmonique (Les oscillateurs existent dans de nombreux domaines de la physique : mécanique, électricité...) au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la...) de la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace...) moléculaire d'équilibre, les fréquences de résonance sont déterminées par les modes normaux correspondant à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) d'énergie potentielle de l'état fondamental électronique moléculaire. Néanmoins, les fréquences de résonance peuvent être dans une première approche liées à la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) de la liaison, et aux masses atomiques de terminaison. Donc, la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) des vibrations peut être associée à une liaison particulière.

Les molécules diatomiques n'ont qu'une seule liaison, qui peut être étirée. Les molécules les plus complexes ont beaucoup de liaisons, et les vibrations peuvent être conjuguées, ce qui conduit à des absorptions infrarouges à des fréquences caractéristiques qui peuvent être liées à des groupes chimiques. Ainsi par exemple, les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) d'un groupe CH2, que l'on trouve communément dans les composés organiques peut vibrer de six manières différentes : étirements (stretching) symétriques et antisymétriques, cisaillement (scissoring), bascule (Une bascule ou un basculeur est un circuit intégré logique doté d'une sortie et d'une ou...) (rocking), agitation (L’agitation est l'opération qui consiste à mélanger une phase ou plusieurs...) hors du plan(wagging) et torsion (La torsion est la déformation subie par un corps soumis à l'action de deux couples opposés...) (twisting) :

étirement
symétrique
étirement
antisymétrique
Cisaillement Bascule Agitation Torsion
Symmetrical stretching.gif Asymmetrical stretching.gif Scissoring.gif Modo rotacao.gif Wagging.gif Twisting.gif

Le spectre infrarouge d'un échantillon est établi en faisant passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) un faisceau de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) infrarouge au travers de cet échantillon. L'examen de la lumière transmise indique la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) d'énergie absorbée à chaque longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...). On peut le faire avec un faisceau monochromatique (On qualifie de monochromatique (du grec mono-, un seul et chromos, couleur) une lumière dont la...), avec une modification de la longueur d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...), ou en utilisant un instrument à transformée de Fourier (En analyse, la transformation de Fourier est un analogue de la théorie des séries de Fourier pour...) afin de mesurer toutes les mesures d'onde simultanément. On peut alors produire les spectres en absorbance (L'absorbance mesure la capacité d'un milieu à absorber la lumière qui le traverse. On l'appelle...) ou en transmittance, et indiquer les longueurs d'ondes d'absorption. L'analyse de ces caractéristiques indique des détails de la structure moléculaire de l'échantillon.
Cette technique fonctionne quasiment exclusivement sur les échantillons présentant des liaisons covalentes. Des spectres simples sont obtenus à partir d'échantillons avec peu de liaisons actives dans l'infrarouge et avec de hauts degrés de pureté. Les structures moléculaires plus complexes conduisent à plus de bandes d'absorption et donc à des spectres plus complexes. Cette technique a cependant été utilisée pour la caractérisation de mélanges très complexes.

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