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Analyse et cinétique chimique Fiche bac

I

L'analyse spectrale

Spectroscopie

La spectroscopie est l'étude de l'absorption de radiations de différentes longueurs d'onde par un échantillon qui dépend de la structure de cet échantillon.

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A

La spectroscopie d'absorption UV-visible

Pour des rayonnements appartenant au domaine du visible et de l'ultraviolet, l'absorption est due à des transitions électroniques entre différents niveaux d'énergie au sein des atomes.

Le spectre d'absorption UV-visible est alors le graphique de l'absorbance A en fonction de la longueur d'onde \(\displaystyle{\lambda}\) :

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Exemple d'un spectre d'absorption UV-Visible

Les spectres d'absorption UV-visible présentent une (voire plusieurs) bande d'absorption repérée par la longueur d'onde \(\displaystyle{\lambda_{max}}\) correspondant à un maximum d'absorbance qui permet de :

  • Caractériser une espèce dont la longueur d'onde \(\displaystyle{\lambda_{max}}\) est connue.
  • Déterminer la couleur de l'échantillon (la longueur d'onde \(\displaystyle{\lambda_{max}}\) étant la longueur d'onde de la couleur complémentaire à la couleur de l'échantillon).
B

La spectroscopie d'absorption IR

Pour des rayonnements appartenant au domaine de l'infrarouge, l'absorption est due aux vibrations des liaisons.

Le spectre d'absorption IR est le graphique de la transmittance T (opposée du logarithme de l'absorbance A) en fonction du nombre d'onde \(\displaystyle{\sigma}\), exprimé en cm−1 (inverse de la longueur d'onde \(\displaystyle{\lambda}\) ) :

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Exemple de spectre d'absorption IR

Les spectres d'absorption IR présentent de nombreuses bandes d'absorption. Chaque bande correspond à l'absorption d'une radiation de nombre d'onde (et donc de longueur d'onde donnée) par une liaison chimique particulière. Le tableau généralement donné dans les énoncés permet de déterminer le type de liaisons présent dans la molécule étudiée et souvent d'identifier un groupe fonctionnel.

C

La spectroscopie par RMN

La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) correspond à l'interaction entre un champ magnétique et les protons d'une molécule.

Le spectre RMN comporte des signaux de différentes multiplicités (singulet, duet, triplet, quadruplet...) représentés selon leur déplacement chimique \(\displaystyle{\delta}\), exprimé en partie par million (la définition du déplacement chimique n'est pas à connaître).

Exemple de spectre RMN

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Protons équivalents

Deux protons sont équivalents s'ils possèdent le même environnement dans la molécule et donc le même déplacement chimique.

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Protons voisins

Des protons sont voisins s'ils sont portés par deux carbones eux-mêmes voisins (séparés par une seule liaison \(\displaystyle{\ce{C-C}}\) ).

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Un spectre RMN permet de connaître l'organisation spatiale d'une molécule grâce à :

  • La valeur du déplacement chimique : plus le groupe de protons équivalent est proche d'un atome électronégatif ( \(\displaystyle{\ce{O}}\), \(\displaystyle{\ce{N}}\), \(\displaystyle{\ce{Cl}}\)...), plus le déplacement chimique de son signal associé est important.
  • La multiplicité du signal : si un groupe de protons équivalents a n protons voisins, le signal associé comptera \(\displaystyle{\left(n+1\right)}\) pic.
  • La courbe d'intégration représentée au-dessus de chaque signal : elle est proportionnelle aux nombres de protons équivalents responsables du signal.
II

La cinétique chimique

A

Les réactions lentes et les réactions rapides

Réactions lentes et rapides

Une réaction lente est une réaction pour laquelle la variation d'un paramètre physico-chimique peut être appréciée soit à l'œil nu, soit à l'aide d'un appareil de mesure.

Dans le cas contraire, la réaction est considérée rapide.

B

Le suivi cinétique d'une réaction

Suivi cinétique d'une réaction

Effectuer le suivi cinétique d'une réaction consiste à connaître l'état du milieu réactionnel à chaque instant.

Il existe deux méthodes pour suivre cinétiquement une réaction :

  • La méthode chimique qui consiste à déterminer les quantités de matière de chaque espèce à l'aide de réactions chimiques ou en procédant à des séparations d'espèces.
  • La méthode physique qui repose sur la mesure d'une grandeur physique X proportionnelle à la concentration (comme la spectrophotométrie ou la conductimétrie).
C

La caractérisation de la vitesse de réaction

La vitesse d'une réaction est caractérisée par le temps de demi-réaction \(\displaystyle{t_{1/2}}\).

Temps de demi-réaction

Le temps de demi-réaction est la durée au bout de laquelle l'avancement \(\displaystyle{x\left(t_{1/2}\right)}\) est égal à la moitié de l'avancement final \(\displaystyle{x_f\left(t_f\right)}\).

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Détermination d'un temps de demi-réaction
D

Les facteurs cinétiques

La vitesse d'une réaction peut être contrôlée en modifiant les facteurs cinétiques :

  • La température : la vitesse des réactions chimiques augmente avec la température.
  • La concentration : la vitesse des réactions chimiques augmente avec les concentrations initiales en réactif.
  • L'emploi d'un catalyseur : la vitesse des réactions chimiques augmente en présence d'un catalyseur (spécifique à la réaction considérée).

Le catalyseur ne modifie pas l'état final du système, mais peut orienter la réaction vers la formation d'un produit en particulier.

On distingue plusieurs types de catalyse :

  • Si le catalyseur n'est pas dans le même état physique que le milieu réactionnel, la catalyse est dite hétérogène.
  • Si le catalyseur est dans le même état physique que le milieu réactionnel, la catalyse est dite homogène.
  • Si le catalyseur est une enzyme, la catalyse est dite enzymatique.