Spectroscopie infrarouge
Modes normaux de vibration
Conditions de l'absorption IR
La spectroscopie IR exploite l'aptitude des molécules à convertir l'énergie associée aux rayonnements électromagnétiques de l'IR moyen en énergie vibro-rotationnelle.
On peut considérer qu'une molécule de n atomes possède (3n-6) modes fondamentaux (normaux) de vibration, (3n-5) si elle est linéaire. Une molécule diatomique n'a qu'un mode de vibration (élongation de la liaison).
Un mode fondamental de vibration est caractérisé par sa fréquence (en Hz) ou mieux par son nombre d'onde en cm-1.
L'excitation de l'un des oscillateurs d'une molécule polyatomique peut entraîner tous les autres à vibrer avec la même fréquence mais l'excitation peut n'intéresser que le vibrateur (ou presque) quand il s'agit de groupement fonctionnels comme C=O, N-H, O-H ...Les modes de vibration délocalisés correspondent à des fréquences assez basses (nbre d'onde <1500 cm-1) alors que les autres, correspondent à des fréquences plus élevées et sont peu influencés par l'environnement atomique,.
Il y a des vibrations par élongation (stretching), symétrique ou anti-symétrique avec variation de la distance interatomique et des vibrations de déformation avec variation des angles de valence. Ces dernières correspondent à des fréquences plus basses.
Mode de vibration localisé
Nbre d'onde voisin de 1700 cm-1
Les conditions nécessaires à l'absorption IR
- L'énergie du rayonnement IR (quantum hn) doit correspondre à une transition énergétique vibro-rotationnelle de la molécule (condition nécessaire mais insuffisante).
- Pour qu'un mouvement de vibration soit actif en IR c'est à dire qu'il donne lieu à une absorption, il faut qu'il soit accompagné d'une variation du moment dipolaire de la molécule.
Considérons une molécule A-B dont l'atome (A) attire plus les électrons de la liaison que l'autre. A est plus électronégatif que B. La molécule est un dipôle et la polarisation de la liaison peut être représentée en attribuant une charge -d (< celle de l'électron) à A et + d à B.
Le dipôle est caractérisé par une grandeur appelée moment dipolaire (vecteur) qui dépend de la valeur absolue de la charge d et de la distance entre les charges. La vibration de la molécule provoque ici une variation périodique du moment dipolaire (fréquence propre n).
Un rayonnement IR (de fréquence n) sera absorbé si et seulement si le champ électrique associé à l'onde incidente peut interagir avec le moment dipolaire oscillant (fréquence n) de la molécule. Il faut bien sûr que les fréquences soit compatibles pour que le système entre en résonance.
Les molécules diatomiques symétriques N2 , O2 ... ont un moment dipolaire nul, elles n'absorbent pas l'IR.
On peut assimiler une liaison appartenant à une molécule polyatomique à une molécule diatomique et considérer que le moment dipolaire de la molécule polyatomique est la résultante de ceux des différentes liaisons.
La molécule polyatomique constituera un dipôle si le centre de gravité des charges négatives ne coïncide pas avec celui des charges positives.
