Spectroscopies infrarouge : cours de Terminale

Dans les chapitres précédents, tu as appris à doser une espèce chimique : par spectrophotométrie, avec la loi de Beer-Lambert, par conductimétrie ou par titrage. Ces méthodes répondent à la question « combien y a-t-il de cette espèce dans la solution ? ». Elles supposent toutefois que tu saches déjà de quelle espèce il s'agit.

La spectroscopie infrarouge répond à une autre question : « qu'est-ce que c'est ? ». Elle sert à identifier un composé ou à déterminer la composition d'un échantillon ². Elle fait partie, avec la RMN et l'UV-visible, des grandes méthodes spectroscopiques que l'on étudie pour identifier des produits chimiques et remonter à des groupes caractéristiques dans une molécule ¹.

Dans ce cours, tu vas voir comment la lumière infrarouge interagit avec un échantillon, comment on exprime ce que l'on mesure, comment un appareil fabrique un spectre et comment on lit ce spectre pour en tirer une information sur la structure d'une molécule.

Pour obtenir le spectre d'un échantillon, on fait passer un faisceau de lumière infrarouge à travers lui. On examine ensuite la lumière qui ressort, c'est-à-dire la lumière transmise : elle indique la quantité d'énergie absorbée pour chaque longueur d'onde ².

Le raisonnement est le même que celui de la spectrophotométrie UV-visible que tu connais : une lumière entre dans l'échantillon avec une certaine intensité, une partie est absorbée, le reste ressort. Ce qui change, c'est le domaine de longueurs d'onde utilisé, et surtout ce que l'on cherche : on ne mesure pas à une seule longueur d'onde pour doser, on balaie un large domaine pour obtenir une sorte de « signature » de l'échantillon.

La lumière visible n'est qu'une petite partie du spectre électromagnétique. Juste après le rouge, du côté des grandes longueurs d'onde, commence l'infrarouge. La partie infrarouge est divisée de façon arbitraire en trois régions : le proche, le moyen et le lointain infrarouge, nommés par rapport au spectre visible ².

Le proche infrarouge s'étend entre ce que l'on appelle le « domaine sel gemme » et le début du spectre visible, vers 750 nm ³. À l'autre bout, l'infrarouge lointain va approximativement de 400 à 10 cm⁻¹, soit de 1 000 à 25 µm environ. Il touche la région des micro-ondes, son énergie est faible et il peut servir à la spectroscopie de rotation ².

Une fois la lumière transmise mesurée à chaque longueur d'onde, on peut produire le spectre de deux manières : en absorbance ou en transmittance, puis on repère les longueurs d'onde d'absorption ².

Il existe plusieurs manières d'obtenir un spectre. On peut utiliser un faisceau monochromatique dont la longueur d'onde est modifiée au cours du temps, de sorte qu'on mesure l'absorption longueur d'onde après longueur d'onde. On peut aussi utiliser un instrument à transformée de Fourier, qui mesure toutes les longueurs d'onde en même temps ².

Dans un appareil IRTF, la lumière d'une source infrarouge qui émet toutes les longueurs d'onde, approximativement un corps noir, est rendue parallèle puis dirigée vers un diviseur de faisceau, c'est-à-dire un miroir semi-réfléchissant ³. Cet ensemble fait partie d'un interféromètre de Michelson adapté à l'infrarouge ³.

L'idée à retenir est la suivante : l'appareil enregistre d'abord un signal brut, puis un calcul, la transformation de Fourier, le convertit en spectre. Ce calcul demande un ordinateur ; c'est pourquoi les premiers appareils commerciaux sont apparus avec les mini-ordinateurs. Le premier spectromètre FTIR commercial, le FTS-14 de Digilab, date de 1969 ³.

C'est la partie la plus importante pour l'épreuve. Les programmes de chimie des études supérieures le formulent bien : exploiter des spectres simples pour déterminer des groupes caractéristiques, ou pour relier un spectre à une structure ¹. Tu retrouves la même logique au lycée, avec des spectres simples et des données fournies.

Pour interpréter un spectre, on s'appuie sur des tables de corrélation : ce sont des documents de référence qui associent des positions de bandes à des types de liaisons ou de groupes. De telles tables sont très répandues dans la littérature scientifique ². À l'examen, la table utile t'est en général donnée avec l'énoncé : tu n'as pas à la connaître par cœur, mais tu dois savoir t'en servir.

La spectroscopie infrarouge est employée en chimie organique comme en chimie inorganique. Dans l'industrie de la micro-électronique, on s'en sert par exemple pour l'analyse de surface de semi-conducteurs comme le silicium ². Dans le proche infrarouge, la spectroscopie IRTF est surtout utilisée pour des applications industrielles comme le suivi de procédés et l'imagerie chimique ³.

On la combine aussi avec d'autres techniques. Dans la chromatographie en phase gazeuse couplée à l'infrarouge (GC-IR), un chromatographe sépare d'abord un mélange ; les fractions ne contenant qu'un seul composé sont ensuite envoyées vers un spectromètre IRTF qui en donne le spectre ³. Cette méthode complète le couplage avec la spectrométrie de masse et se révèle utile pour identifier des isomères, c'est-à-dire des molécules de même formule brute, donc de même masse, mais de structures différentes ³. Un spectromètre de masse ne distingue pas ces molécules par leur masse, alors que leurs spectres infrarouges, liés à la structure, peuvent différer.

Il existe aussi des techniques infrarouges dites bidimensionnelles. Elles extraient une information supplémentaire par rapport à la technique classique, car elles utilisent un paramètre de plus que la fréquence ². Elles dépassent largement le programme de Terminale et ne sont citées ici que pour te montrer que le domaine continue d'évoluer.

Les instruments ont beaucoup changé. En 1957, PerkinElmer a produit l'Infracord, un appareil économique capable d'enregistrer un spectre dans l'infrarouge ³. Les avantages de l'interféromètre de Michelson étaient connus, mais il fallait surmonter des difficultés techniques, et il fallait aussi un ordinateur assez puissant pour calculer les transformations de Fourier, ce qui n'est devenu possible qu'avec les mini-ordinateurs ³. Le premier spectromètre FTIR commercial, le modèle FTS-14 de Digilab, est arrivé en 1969 ³.