Spécialité physique-chimie, Terminale • Exercices corrigés à Montréal
Fiche de révision : spectroscopie infrarouge et UV-visible (Terminale spécialité)
Cette fiche accompagne la ligne « spectroscopie infrarouge et UV-visible » du programme de Terminale spécialité : exploiter un spectre et une table de données pour identifier un groupe caractéristique ou une espèce chimique, avec la couleur d'une espèce en solution et la loi de Beer-Lambert.
Elle ne redit pas le cours. Elle dit ce qui coûte des points au baccalauréat, ce qu'il faut regarder sur le spectre et dans quel ordre, et ce qu'on a le droit de conclure. La RMN n'est pas au programme de Terminale : elle n'apparaît donc pas ici. Elle est traitée avec la chimie organique du cégep, dans la fiche indiquée en bas de page.
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Le fil du chapitre
Un spectre ne donne jamais un nom. Une bande présente prouve une liaison, une bande absente exclut seulement cette liaison, et une absorbance mesure sans dire par quoi.
Une colonne par bande utile. Lisez d'abord le nombre d'onde, puis l'allure : c'est souvent elle qui tranche. Les valeurs exactes sont toujours données par la table de l'énoncé, à laquelle vous vous référez sur la copie.
Critère
O-H d'alcoolgroupe hydroxyle
O-H d'acidegroupe carboxyle
N-Hamine ou amide
C=Ogroupe carbonyle
C-Hpresque partout
Où
3200 à 3400cm−1
2500 à 3200cm−1
3300 à 3500cm−1
1700 à 1750cm−1
2800 à 3000cm−1
Allure
forte et large
forte et très large
fine, plus faible
forte et fine
forte, plusieurs pics
Le détail qui décide
bien séparée des C−H
englobe les pics des C−H
deux bandes pour NH2, une pour NH
la position donne la famille, avec prudence
n'apprend presque rien
Son absence exclut
un alcool
un acide
une amine à N-H
acide, ester, aldéhyde, cétone
presque aucune molécule organique
O-H d'alcoolgroupe hydroxyle
Où
3200 à 3400cm−1
Allure
forte et large
Le détail qui décide
bien séparée des C−H
Son absence exclut
un alcool
O-H d'acidegroupe carboxyle
Où
2500 à 3200cm−1
Allure
forte et très large
Le détail qui décide
englobe les pics des C−H
Son absence exclut
un acide
N-Hamine ou amide
Où
3300 à 3500cm−1
Allure
fine, plus faible
Le détail qui décide
deux bandes pour NH2, une pour NH
Son absence exclut
une amine à N-H
C=Ogroupe carbonyle
Où
1700 à 1750cm−1
Allure
forte et fine
Le détail qui décide
la position donne la famille, avec prudence
Son absence exclut
acide, ester, aldéhyde, cétone
C-Hpresque partout
Où
2800 à 3000cm−1
Allure
forte, plusieurs pics
Le détail qui décide
n'apprend presque rien
Son absence exclut
presque aucune molécule organique
Légende : les mots du tableau
Bande
Un creux de la courbe : le rayonnement y est absorbé par une liaison de la molécule.
Large
Le creux s'étale sur plusieurs centaines de cm−1, à cause des liaisons hydrogène entre molécules.
Fine
Le creux est étroit, quelques dizaines de cm−1, comme une encoche.
Avant toute colonne, vérifiez le sens de l'axe : 4000 est à gauche, 500 à droite. Sous 1500cm−1, on n'attribue rien : on compare à une référence.
L'essentiel
Trois zones utiles, et une zone à ne pas interpréter
•L'axe porte σ=λ1 en cm−1, DÉCROISSANT de gauche à droite. L'axe vertical est la TRANSMITTANCE : une forte absorption est un creux profond.
•De gauche à droite : O−H et N−H vers le haut de l'échelle, puis C−H, puis un grand vide, puis C=O et C=C.
•Sous 1500cm−1, l'empreinte digitale ne s'attribue pas : elle se compare à un spectre de référence.
•Conversion : avec σ en cm−1, λ=σ104 en micromètres. À 1700cm−1, λ≈5,88μm.
Une bande se cherche de gauche à droite : O−H et N−H, puis C−H, puis C=O et C=C, et enfin l'empreinte grisée, qu'on ne détaille pas.
Le grand vide entre 2500cm−1 et 1800cm−1 est utile : une bande qui y tomberait est rare, ce qui rend la lecture rapide.
Ce qu'une bande autorise à conclure
•Une bande PRÉSENTE prouve une liaison, à condition que sa position et son allure correspondent à la table.
•Une bande ABSENTE exclut cette liaison, dans les limites de détection du spectre, et seulement elle : ni l'atome, ni toute la famille voisine.
•Un spectre répond aux LIAISONS. Deux molécules aux mêmes liaisons ont presque le même spectre au-dessus de 1500cm−1.
C'est la phrase de conclusion qui rapporte : « la bande à ... prouve la liaison ..., donc ... ».
UV-visible : la couleur vue est le complément de la couleur absorbée
•On lit λmax sur l'axe horizontal et on repère la couleur absorbée. La couleur perçue est diamétralement opposée sur le cercle chromatique : rouge et cyan, vert et magenta, bleu et jaune.
•λmax caractérise l'espèce : la dilution ne le déplace pas. L'absorbance mesure la quantité : A=εℓc.
•Une solution incolore n'absorbe rien DANS LE VISIBLE, et peut très bien absorber dans l'ultraviolet : la caféine se dose à 273nm.
Le maximum à 450nm tombe dans le bleu : la solution absorbe le bleu, et l'œil voit le secteur opposé du cercle, le jaune.
Les pièges qui coûtent des points
Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.
1.Lire l'axe des nombres d'onde dans le sens habituel
1 point, et toutes les attributions qui suivent
Ce qu'il ne faut pas écrire
« La bande à droite du spectre a le plus grand nombre d'onde, donc la plus grande énergie. »
Ce qu'il faut écrire
« L'axe est décroissant : la bande de gauche, à 3300cm−1, a le plus grand nombre d'onde et la plus petite longueur d'onde. »
Pourquoi : Tous les graphes de l'année croissent vers la droite, sauf celui-ci. L'erreur place chaque bande dans la mauvaise zone de la table.
2.Conclure qu'un atome est absent faute de bande
1 point sur une identification
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Il n'y a pas de bande O−H sur ce spectre, donc la molécule ne contient pas d'oxygène. »
Ce qu'il faut écrire
« Il n'y a pas de bande O−H sur ce spectre, donc la molécule ne possède pas de liaison O−H. Un ester ou une cétone contient pourtant de l'oxygène. »
Pourquoi : Une table associe une bande à une liaison. Elle ne dit rien d'un atome engagé dans d'autres liaisons, comme l'oxygène d'un ester.
3.Confondre le O-H d'un alcool et celui d'un acide
2 points : la famille est fausse et la suite aussi
Ce qu'il ne faut pas écrire
« La bande large vers 3000cm−1 est un O−H d'alcool, et la molécule est donc un alcool. »
Ce qu'il faut écrire
« Cette bande très large, de 2500 à 3200cm−1, englobe les C−H : c'est le O−H d'un acide carboxylique, confirmé par la bande C=O à 1711cm−1. »
En haut, le creux de l'alcool laisse voir les pics C−H bien à part. En bas, celui de l'acide est si large que les C−H sont posés dessus.
Pourquoi : Dans un acide, les liaisons hydrogène sont plus fortes et étalent davantage la bande. C'est la FORME qui décide, pas seulement la position.
4.Prendre une bande C=O pour la preuve d'une famille
1 à 2 points : il manque la justification par élimination
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Il y a une bande à 1715cm−1, donc c'est une cétone. »
Ce qu'il faut écrire
« La bande à 1715cm−1 prouve une liaison C=O. Sans bande O−H très large ni pics vers 2720cm−1 et 2820cm−1, ce n'est ni un acide ni un aldéhyde : c'est une cétone. »
Les deux C=O sont voisines : ce sont les deux petits pics vers 2720 et 2820cm−1, présents en haut et absents en bas, qui séparent l'aldéhyde de la cétone.
Pourquoi : Les domaines de l'acide, de la cétone et de l'aldéhyde se recouvrent. Le correcteur attend qu'on regarde aussi l'autre zone du spectre.
5.Vouloir attribuer l'empreinte digitale creux par creux
Du temps perdu et 0 point
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Le pic à 1170cm−1 est une liaison C−C, celui à 1130cm−1 une autre, celui à 950cm−1 une troisième. »
Ce qu'il faut écrire
« On n'attribue pas cette zone : on la compare au spectre de référence de l'espèce supposée. »
Pourquoi : Ces bandes viennent de vibrations de la molécule entière, que le programme ne demande pas d'analyser. Leur usage est la comparaison.
6.Croire qu'une table sépare deux isomères de position
1 point : la conclusion dépasse ce que le spectre prouve
Ce qu'il ne faut pas écrire
« D'après la table, le spectre montre un O−H : c'est le butan-1-ol et non le butan-2-ol. »
Ce qu'il faut écrire
« La table montre un alcool, sans dire lequel. Je compare l'empreinte digitale à une référence, ou je mesure la température d'ébullition. »
Au-dessus de 1500cm−1, les deux spectres coïncident. Seule l'empreinte, grisée, les sépare, et c'est pourquoi on la compare à une référence.
Pourquoi : Les deux alcools ont exactement les mêmes liaisons. La table identifie un groupe caractéristique, pas sa place sur la chaîne.
7.Donner la couleur vue pour la couleur absorbée
1 point
Ce qu'il ne faut pas écrire
« La solution est jaune, donc elle absorbe le jaune. »
Ce qu'il faut écrire
« λmax=430nm : la solution absorbe le bleu, et paraît de la couleur complémentaire, le jaune. »
Pourquoi : L'œil reçoit ce qui n'est pas absorbé. Absorbée et perçue sont justement les deux couleurs opposées du cercle.
8.Croire que la dilution déplace le maximum d'absorption
1 point
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Diluée deux fois, la solution a un λmax divisé par deux. »
Ce qu'il faut écrire
« Diluée deux fois, la solution garde le même λmax, et son absorbance maximale est divisée par deux. »
Pourquoi : λmax est une propriété de l'espèce, et A est proportionnelle à sa concentration. Seul un changement d'espèce, par exemple de pH, déplace le maximum.
9.Oublier de remonter à l'échantillon après la dilution
2 points, souvent toute la conclusion
Ce qu'il ne faut pas écrire
« La droite d'étalonnage donne 16,0mg/L : la boisson contient donc 16,0mg/L de caféine. »
Ce qu'il faut écrire
« La solution mesurée contient 16,0mg/L. Diluée 20 fois, la boisson en contient 20×16,0=320mg/L. »
Pourquoi : L'étalonnage donne la concentration DANS LA CUVE. La question porte sur l'échantillon de départ, plus concentré puisqu'on l'a dilué.
10.Prendre un dosage pour une preuve d'identité
1 à 2 points sur la question finale
Ce qu'il ne faut pas écrire
« L'absorbance à 425nm donne 2,8% de curcumine, donc la poudre contient bien de la curcumine. »
Ce qu'il faut écrire
« L'absorbance mesure combien de lumière est absorbée, pas par quoi. Je vérifie d'abord l'identité de l'espèce au spectre infrarouge. »
Pourquoi : Deux colorants voisins absorbent presque aux mêmes longueurs d'onde. L'infrarouge identifie, l'UV-visible dose : on ne demande pas à l'un le travail de l'autre.
Quelle méthode choisir
Lire un spectre infrarouge dans l'ordre
On regarde d'abord au-dessus de 2500cm−1, puis vers 1700cm−1. La famille se décide sur les deux zones réunies.
Les quatre allures entre lesquelles l'arbre décide, à la même échelle : O−H large, O−H très large, bandes fines de l'amine et C=O seule.
Si une bande très large de 2500 à 3200cm−1, qui englobe les C−H → c'est un acide carboxylique
Exemple : Bande à 2950cm−1 très étalée et C=O à 1711cm−1.
Si une bande large de 3200 à 3400cm−1, bien séparée des C−H → c'est un alcool, ou un phénol
Exemple : Bande à 3340cm−1, et aucune C=O vers 1700cm−1.
Si une ou deux bandes fines de 3300 à 3500cm−1 → c'est une liaison N−H : une amine ou un amide
Exemple : Bandes à 3370cm−1 et 3290cm−1 : deux hydrogènes sur l'azote, groupe −NH2.
Pas de bande N−H n'exclut pas une amine : une amine tertiaire n'a aucune liaison N−H.
Si une bande forte et fine de 1700 à 1750cm−1, sans O−H → c'est un ester, un aldéhyde ou une cétone : on lit la position et on cherche les deux pics vers 2720cm−1 et 2820cm−1
Exemple : 1745cm−1 : ester. 1730cm−1 et deux pics : aldéhyde. 1715cm−1 sans pics : cétone.
Si seulement des C−H au-dessus de 1500cm−1 → ni alcool, ni acide, ni carbonyle : un alcane ou un éther, selon la formule
Exemple : C4H10O sans O−H : un éther, l'éthoxyéthane par exemple.
Si deux candidats restent, le spectre a dit ce qu'il pouvait : une empreinte de référence ou une température d'ébullition tranche.
Quelle technique selon la question posée
C'est le verbe de l'énoncé qui décide, avant toute lecture.
Si « identifier un groupe caractéristique » → un spectre infrarouge et sa table
Exemple : C=O à 1745cm−1 : un ester.
Si « identifier une espèce parmi des isomères » → infrarouge, puis empreinte de référence ou mesure physique
Exemple : Butan-1-ol ou butan-2-ol : 118 ou 99∘C.
Si « justifier la couleur » → le spectre UV-visible et le cercle chromatique
Exemple : λmax=525nm : le vert est absorbé, la solution paraît magenta.
Si « déterminer une concentration » → la loi de Beer-Lambert à λmax, avec une droite d'étalonnage
Exemple : A=0,81 et k=0,0505L/mg : c≈16,0mg/L.
La résonance magnétique nucléaire n'est pas au programme de Terminale : un sujet du baccalauréat ne vous la demandera pas.
La rédaction attendue
Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.
Identifier une espèce à partir d'un spectre infrarouge
Quand l'utiliser : « À l'aide du spectre et de la table, identifier... » ou « justifier que le produit est... ».
1Écrire, pour chaque candidat, les liaisons qui le distinguent et les bandes attendues.
2Relever les bandes utiles, avec leur nombre d'onde et leur allure, et les rapprocher des lignes de la table.
3Dire aussi ce qui MANQUE : l'absence d'une bande forte est un argument.
4Éliminer chaque candidat restant, un par un, avec sa raison.
5Conclure par une phrase qui nomme l'espèce.
Phrase de conclusion
« La bande forte et fine à 1715cm−1 correspond à une liaison C=O de cétone. L'absence de bande O−H et de pics vers 2720cm−1 exclut l'acide, l'alcool et l'aldéhyde. Le spectre est donc compatible avec la propanone. »
Le piège : Écrire seulement « c'est la propanone d'après le spectre » : sans bande citée ni élimination, la réponse ne rapporte presque rien.
Barème : Le plus souvent : 1 point pour la bande citée avec sa valeur, 1 point pour la conclusion justifiée.
Déterminer une concentration par étalonnage
Quand l'utiliser : « À l'aide de la droite d'étalonnage, déterminer la teneur de... ».
1Justifier le choix de λmax : l'absorbance y est la plus grande, donc la mesure la plus sensible.
2Montrer que A est proportionnelle à c et déterminer k dans A=kc.
3Vérifier que l'absorbance mesurée est À L'INTÉRIEUR de la gamme.
4Calculer c dans la solution mesurée, puis multiplier par le facteur de dilution.
5Comparer à la valeur de référence et répondre à la question posée.
Phrase de conclusion
« A=0,81 est dans la gamme : c1=kA≈16,0mg/L. La dilution étant de facteur 20, la boisson contient c0≈320mg/L, soit plus que le seuil de 150mg/L. »
Le piège : S'arrêter à c1. La question porte sur l'échantillon, et non sur la cuve.
Barème : Le plus souvent : 1 point pour la lecture ou le calcul de c1, 1 point pour le facteur de dilution, 1 point pour la comparaison rédigée.
Vérifier avant de rendre
Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.
Le sens de l'axe
Regardez la graduation au-dessus de votre bande : doit-elle être plus petite à droite ? Une bande C=O se trouve à droite d'une bande O−H.
Une bande O−H placée à droite de la bande C=O signale un axe lu à l'envers.
La formule contre les bandes
Comptez les atomes d'oxygène et d'azote de la formule proposée, et vérifiez que chaque bande citée a sa liaison dans la molécule.
Une bande N−H avec une formule sans azote : une attribution est fausse.
Les deux couleurs opposées
La couleur absorbée et la couleur vue doivent être diamétralement opposées sur le cercle chromatique.
« Absorbe le vert, paraît vert » ne peut pas être juste : c'est le magenta.
L'absorbance dans la gamme
Comparez A à la plus forte absorbance des étalons, et vérifiez qu'elle reste inférieure à environ 1,5.
Une absorbance calculée de 16 dit qu'il fallait diluer, jamais qu'il faut prolonger la droite.
L'échantillon contre la cuve
Le résultat final doit être PLUS concentré que la solution mesurée dès qu'il y a eu dilution.
Une boisson moins concentrée que sa solution diluée signale une division à la place d'une multiplication.
L'exercice type décortiqué
Un flacon de formule C3H6O
Un flacon contient un liquide de formule brute C3H6O. Trois espèces sont candidates : le propanal, la propanone et le prop-2-én-1-ol. À l'aide du spectre infrarouge ci-dessous et de la table de la synthèse, identifiez le liquide. Données : la table place le C=O d'un aldéhyde dans 1720 à 1740cm−1 et celui d'une cétone dans 1705 à 1725cm−1, et la liaison C=C d'un alcène dans 1620 à 1680cm−1.
Le spectre du liquide. On cherche d'abord un O−H au-dessus de 3000cm−1, puis les bandes voisines de 1700cm−1.
Étape 1
On écrit les liaisons qui distinguent les candidats. Propanal : C=O et deux pics C−H d'aldéhyde. Propanone : C=O seule. Prop-2-én-1-ol : O−H et C=C.
Pourquoi
On sait ce qu'on cherche avant de regarder le spectre : c'est ce qui évite d'attribuer des creux au hasard.
Étape 2
Aucune bande large dans 3200 à 3400cm−1 : la ligne de base y est plate. Le spectre exclut la liaison O−H, donc le prop-2-én-1-ol.
Pourquoi
Une bande absente élimine un candidat. C'est le premier point de la question, et le plus sûr.
Étape 3
Une bande forte et fine à 1715cm−1. Elle prouve une liaison C=O et tombe dans le domaine de la cétone, sous celui de l'aldéhyde.
Pourquoi
La valeur citée fait gagner le point : « une bande vers 1700 » ne suffit pas pour séparer les deux familles.
Étape 4
Aucun des deux pics vers 2720cm−1 et 2820cm−1 : le propanal est écarté une seconde fois.
Pourquoi
Les domaines de la table se touchent. Un second indice rend la conclusion solide si la bande tombe près d'une limite.
Étape 5
On vérifie la formule : CH3−CO−CH3 contient bien 3 carbones, 6 hydrogènes et 1 oxygène, et une seule liaison C=O.
Pourquoi
La vérification relie la conclusion à la donnée de départ, en quelques secondes.
Conclusion rédigée
Le spectre présente une bande C=O à 1715cm−1, sans bande O−H ni pics d'aldéhyde : le liquide est la propanone.
L'erreur classique sur cet exercice : Conclure dès la bande à 1715cm−1, sans éliminer le propanal ni citer l'absence de bande O−H.
À savoir par cœur
•AXE : nombre d'onde σ=λ1, décroissant de gauche à droite ; un creux est une absorption.
•O−H d'alcool : LARGE, de 3200 à 3400cm−1. O−H d'acide : TRÈS LARGE, de 2500 à 3200cm−1.
•N−H : fine, de 3300 à 3500cm−1. Deux bandes pour NH2, une pour NH.
•C=O : forte et fine, de 1700 à 1750cm−1. Ester le plus haut, puis aldéhyde, puis cétone et acide.
•Bande PRÉSENTE : prouve une liaison. Bande ABSENTE : exclut seulement cette liaison.
•Couleur vue = couleur COMPLÉMENTAIRE de la couleur absorbée : rouge et cyan, vert et magenta, bleu et jaune.
•A=εℓc, en solution diluée, à λmax, dans la gamme ; λmax dit QUI, A dit COMBIEN.
Questions fréquentes
Comment lire un spectre infrarouge en Terminale ?
On vérifie d'abord le sens de l'axe : le nombre d'onde décroît de 4000 à gauche vers 500 à droite, et une absorption est un creux. On regarde ensuite au-dessus de 2500, où se trouvent les liaisons O-H, N-H et C-H, puis vers 1700 pour la liaison C=O. On compare chaque bande à la table fournie, en citant sa valeur et son allure. La zone sous 1500 ne s'interprète pas.
Quelle différence entre la bande O-H d'un alcool et celle d'un acide carboxylique ?
La bande O-H d'un alcool est large et centrée vers 3300 inverse de centimètre, bien séparée des pics C-H. Celle d'un acide carboxylique est beaucoup plus large, de 2500 à 3200 environ, et englobe les pics C-H, qui semblent posés dessus. Un acide montre en plus une bande C=O vers 1710. C'est donc la forme de la bande, et non sa seule position, qui permet de les distinguer.
La RMN est-elle au programme de Terminale ?
Non. Le programme de spécialité physique-chimie de Terminale, en vigueur depuis 2020, ne retient que la spectroscopie infrarouge et UV-visible, pour identifier un groupe caractéristique ou une espèce chimique. La résonance magnétique nucléaire figurait dans l'ancien programme, ce qui explique sa présence dans d'anciens sujets et manuels. On la retrouve plus tard, en chimie organique au cégep ou à l'université.
Pourquoi une solution jaune absorbe-t-elle le bleu ?
Une solution paraît de la couleur de ce qu'elle laisse passer. Si elle absorbe surtout le bleu, l'œil reçoit le reste de la lumière blanche, qu'il perçoit comme du jaune, la couleur complémentaire du bleu. Sur le cercle chromatique, ces deux couleurs sont diamétralement opposées. On lit donc la longueur d'onde du maximum d'absorption, on repère sa couleur, puis on prend le secteur opposé.
Une solution incolore peut-elle se doser par spectrophotométrie ?
Oui, si elle absorbe dans l'ultraviolet. Incolore signifie seulement qu'elle n'absorbe pas la lumière visible. La caféine, par exemple, a un maximum d'absorption vers 273 nanomètres et se dose à cette longueur d'onde, dans une cuve en quartz, car le verre ordinaire et le plastique absorbent l'ultraviolet. La méthode reste la même : droite d'étalonnage et loi de Beer-Lambert.
Passer à la pratique
Exercices corrigés : Spectroscopie infrarouge et UV-visible : lire un spectre, identifier, doser
Une méthode se prouve sur une copie, pas sur une fiche. La série du même chapitre reprend chacun de ces pièges dans un exercice, avec le corrigé rédigé étape par étape.
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