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Spécialité Physique-Chimie Terminale

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Analyse physique : spectroscopies UV-visible et infrarouge

Spectre UV-visible et identification d’une espèce, loi de Beer-Lambert A = ε × ℓ × c pour déterminer une concentration ou une quantité de matière, domaine de validité et additivité des absorbances, spectre infrarouge des esters, amines et amides, identification d’une espèce et suivi d’une transformation.

À propos de cette page
Un devoir surveillé d’une heure trente, noté sur 20 points avec calculatrice, en cinq exercices de 4 points : le colorant d’une boisson bleue, le colorant d’une grenadine, le domaine de validité d’un étalonnage, une amine à identifier sur son spectre infrarouge et l’hydrolyse d’un ester suivie par infrarouge, avec un corrigé détaillé et son barème.
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Devoir surveillé · ★★ et ★★★ · Durée 90 min · Noté sur 20
90:00
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Devoir surveillé – Analyse physique : spectroscopies UV-visible et infrarouge

Durée : 90 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Spécialité Physique-Chimie Terminale

Nom : Date : Note : / 20

Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.

Exercice 1 – Le colorant d’une boisson bleue ★★

(4 pts)

Une boisson bleue contient un seul colorant. On enregistre dans l’eau le spectre de la boisson diluée.0,00,20,40,60,8400450500550600650700750λ (nm)Aλmax dans l’eau : tartrazine 426 nm ; indigotine 610 nm ; bleu brillant FCF 630 nm ; bleu patenté V 638 nm. Précision de lecture : ± 2 nm.

  1. a)Lire λmax et indiquer la couleur absorbée.
  2. b)Identifier le colorant en justifiant l’élimination des autres. Est-ce certain ?
  3. c)Pourquoi les valeurs de la table doivent-elles avoir été mesurées dans l’eau ?
  4. d)L’étiquette signale un édulcorant incolore. S’il absorbe, où chercher sa trace ?

Exercice 2 – Le colorant d’une grenadine ★★

(4 pts)

Un sirop de grenadine contient un seul colorant, le ponceau 4R : M = 604,5 g·mol−1 ; ε = 2,6 × 104 L·mol−1·cm−1 à 505 nm. Le sirop est dilué 10 fois ; dans une cuve de 1,00 cm, la solution obtenue a une absorbance de 0,260 à 505 nm. La bouteille contient 75 cL de sirop.

  1. a)Calculer la concentration en colorant de la solution diluée.
  2. b)En déduire la concentration en quantité de matière puis en masse du sirop.
  3. c)Calculer la masse de colorant contenue dans la bouteille.
  4. d)Un élève mesure l’absorbance à 485 nm et la divise par le même ε. Que vaut son résultat ?

Exercice 3 – Jusqu’où la loi est-elle valable ? ★★

(4 pts)

Absorbances de solutions étalons d’un colorant Z, dans une cuve de 1,00 cm, à λmax :

c (10−5 mol·L−1)1,02,03,04,06,08,0
A0,210,420,630,841,191,47

  1. a)Déterminer le coefficient k tel que A = k × c et le domaine de concentrations où il s’applique.
  2. b)Un échantillon donne A = 1,35. Pourquoi ne pas calculer c = A ÷ k ? Que faire ?
  3. c)Dilué 4 fois, il donne A = 0,378. Calculer sa concentration ; la comparer au calcul direct.
  4. d)Un conservateur de l’échantillon absorbe aussi à λmax : seul, à sa concentration dans l’échantillon dilué, il donne A = 0,021. Corriger le résultat de la question 3, puis dire comment faire le blanc.

Exercice 4 – Une amine à identifier ★★★

(4 pts)

Un liquide de formule brute C4H11N est l’une de ces espèces : butan-1-amine CH3–(CH2)3–NH2, N-éthyléthanamine CH3–CH2–NH–CH2–CH3, N,N-diméthyléthanamine CH3–CH2–N(CH3)2. Son spectre IR :0204060801004 0003 5003 0002 5002 0001 5001 000500σ (cm−1)T (%)3 320Données (cm−1) : N–H 3 100 – 3 500 (deux bandes pour –NH2, une pour –NH–) ; C=O amide 1 630 – 1 700.

  1. a)Indiquer le nombre de bandes N–H attendu pour chacune des trois espèces.
  2. b)Identifier l’espèce contenue dans le flacon.
  3. c)Calculer la longueur d’onde, en µm, de la bande à 3 320 cm−1.
  4. d)Justifier, à l’aide du spectre et de la formule, que ce liquide n’est ni un amide ni un alcool.

Exercice 5 – Suivre l’hydrolyse d’un ester ★★★

(4 pts)

Hydrolyse acide du 2-méthylpropanoate de méthyle, suivie en IR : (CH3)2CH–COO–CH3 + H2O → (CH3)2CH–COOH + CH3–OH. Données (cm−1) : C=O ester 1 700 – 1 750 ; C=O acide 1 680 – 1 710 ; O–H acide 2 500 – 3 200 (très large) ; O–H lié 3 200 – 3 400 (large).

  1. a)Quelle bande, propre au réactif organique, diminue au cours de la transformation ?
  2. b)Quelles bandes apparaissent ? Attribuer chacune à un produit.
  3. c)Un élève dit la transformation finie car le spectre final a une bande C=O. Discuter.
  4. d)Comment vérifier que l’acide obtenu n’est pas son isomère, l’acide butanoïque ?

Bon courage !

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Voir le corrigé et le barème
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Corrigé et barème – Analyse physique : spectroscopies UV-visible et infrarouge

Durée : 90 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Spécialité Physique-Chimie Terminale

Exercice 1 – Le colorant d’une boisson bleue ★★

(4 pts)
  1. a)λmax ≈ 630 nm (0,5 pt) : la boisson absorbe dans l’orangé et paraît bleue, couleur complémentaire (0,5 pt). (1)
  2. b)Bleu brillant FCF (E133), à 630 nm : l’indigotine (20 nm d’écart), le bleu patenté V (8 nm) et la tartrazine sont au-delà des ± 2 nm (0,5 pt). Non, ce n’est que probable : un colorant absent de la liste pourrait avoir le même λmax ; on la confirme en superposant le spectre entier à celui du bleu brillant FCF, ou par une chromatographie (0,5 pt). (1)
  3. c)Le solvant peut déplacer λmax (0,5 pt) : on ne compare que des spectres enregistrés dans le même solvant que l’échantillon (0,5 pt). (1)
  4. d)Une espèce incolore n’absorbe pas dans le visible (0,5 pt) : s’il absorbe, c’est dans l’ultraviolet : on prolonge le spectre en dessous de 400 nm et on le compare à celui de l’édulcorant (0,5 pt). (1)

Erreur fréquente — Prendre la couleur de la solution pour la couleur absorbée : une boisson bleue absorbe l’orangé.

Exercice 2 – Le colorant d’une grenadine ★★

(4 pts)
  1. a)cd=Aεℓ=0,2602,6×104×1,00 (0,5 pt), soit 1,0 × 10−5 mol·L−1 (0,5 pt). (1)
  2. b)c = 10 × 1,0 × 10−5 = 1,0 × 10−4 mol·L−1 (0,5 pt) ; cm = c × M = 1,0 × 10−4 × 604,5 ≈ 6,0 × 10−2 g·L−1 (0,5 pt). (1)
  3. c)m = cm × V = 6,045 × 10−2 × 0,75 (0,5 pt) ≈ 4,5 × 10−2 g, soit 45 mg (0,5 pt). (1)
  4. d)ε dépend de la longueur d’onde (0,5 pt) : à 485 nm, hors du maximum, l’absorbance est plus faible, et la diviser par le ε de 505 nm donne une concentration trop petite (0,5 pt). (1)

Méthode — c = A ÷ (ε × ℓ), avec le ε de la longueur d’onde de mesure, puis × facteur de dilution, puis × M.

Exercice 3 – Jusqu’où la loi est-elle valable ? ★★

(4 pts)
  1. a)A ÷ c = 2,1 × 104 L·mol−1 pour les quatre premiers étalons (0,5 pt) ; à 6,0 et 8,0 × 10−5 mol·L−1, le rapport baisse (1,98 et 1,84 × 104) : k = 2,1 × 104 L·mol−1 jusqu’à 4,0 × 10−5 mol·L−1 (0,5 pt). (1)
  2. b)A = 1,35 dépasse la plus grande absorbance du domaine (0,84) : A n’y est plus proportionnelle à c (0,5 pt). On dilue d’un facteur connu, par exemple 4, pour revenir dans le domaine (0,5 pt). (1)
  3. c)cd = 0,378 ÷ (2,1 × 104) = 1,8 × 10−5 mol·L−1, donc c = 7,2 × 10−5 mol·L−1 (0,5 pt). Le calcul direct donnait 1,35 ÷ (2,1 × 104) ≈ 6,4 × 10−5 mol·L−1, environ 11 % trop peu (0,5 pt). (1)
  4. d)Les absorbances s’ajoutent : part de Z = 0,378 − 0,021 = 0,357, cd = 0,357 ÷ (2,1 × 104) = 1,7 × 10−5 mol·L−1, donc c = 6,8 × 10−5 mol·L−1 (0,5 pt). Blanc : le solvant contenant le conservateur à la même concentration, sans colorant Z ; l’appareil retranche alors lui-même sa part (0,5 pt). (1)

Le point clé — Un étalonnage ne vaut que dans le domaine des étalons alignés : au-delà, on dilue réellement, on ne prolonge pas la droite.

Exercice 4 – Une amine à identifier ★★★

(4 pts)
  1. a)Butan-1-amine (–NH2) : 2 ; N-éthyléthanamine (–NH–) : 1 (0,5 pt) ; N,N-diméthyléthanamine, azote lié à trois carbones : 0 (0,5 pt). (1)
  2. b)Une seule bande moyenne vers 3 320 cm−1, en plus des C–H (0,5 pt) : N-éthyléthanamine (0,5 pt). (1)
  3. c)λ = 1 ÷ σ = 1 ÷ 3 320 cm ≈ 3,01 × 10−4 cm (0,5 pt), soit 3,01 µm (0,5 pt). (1)
  4. d)Aucune bande forte entre 1 630 et 1 750 cm−1 : pas de C=O, donc pas d’amide (0,5 pt). La formule ne contient pas d’oxygène : pas de groupe O–H ; la bande vers 3 320 cm−1 est bien un N–H (0,5 pt). (1)

Méthode — Compter les bandes N–H : deux pour –NH2, une pour –NH–, aucune si l’azote ne porte pas d’hydrogène.

Exercice 5 – Suivre l’hydrolyse d’un ester ★★★

(4 pts)
  1. a)La bande C=O de l’ester, vers 1 740 cm−1 (0,5 pt), qui diminue à mesure que l’ester est consommé (0,5 pt). (1)
  2. b)Une bande très large de 2 500 à 3 200 cm−1 et une bande C=O vers 1 700 cm−1 : acide 2-méthylpropanoïque (0,5 pt) ; une bande large vers 3 200 – 3 400 cm−1 : O–H lié du méthanol, qui se superpose à celle de l’eau, réactif déjà présent (0,5 pt). (1)
  3. c)L’ester et l’acide ont tous deux une liaison C=O : la présence d’une bande C=O ne dit rien (0,5 pt). La transformation est finie quand la bande C=O d’ester, vers 1 740 cm−1, a disparu et qu’il ne reste que celle de l’acide (0,5 pt). (1)
  4. d)Les deux acides ont les mêmes bandes au-dessus de 1 500 cm−1 (0,5 pt) : on superpose son spectre entier, empreinte digitale comprise, au spectre de référence de l’acide 2-méthylpropanoïque (0,5 pt). (1)

Le point clé — Pour suivre une transformation, on choisit une bande propre au réactif, absente des produits : ici la C=O d’ester vers 1 740 cm−1.

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Ce contrôle de spécialité physique-chimie Terminale en bref

Un devoir surveillé type contrôle en classe sur « Analyse physique : spectroscopies UV-visible et infrarouge » : 5 exercices, 90 minutes, noté sur 20. Le sujet et le corrigé sont téléchargeables en PDF, prêts à imprimer, pour travailler comme en classe.

  • Exercice 1 — Le colorant d’une boisson bleue ★★/ 4 pts
  • Exercice 2 — Le colorant d’une grenadine ★★/ 4 pts
  • Exercice 3 — Jusqu’où la loi est-elle valable ? ★★/ 4 pts
  • Exercice 4 — Une amine à identifier ★★★/ 4 pts
  • Exercice 5 — Suivre l’hydrolyse d’un ester ★★★/ 4 pts

Notions évaluées

Spectre UV-visible, longueur d’onde du maximum d’absorption, nombre de bandes, données tabulées, spectre de référence, solvant, espèce incolore, ultraviolet, absorbance, loi de Beer-Lambert, coefficient d’absorption molaire, épaisseur de la cuve, concentration, quantité de matière, concentration en masse, facteur de dilution, avancement, domaine de validité, solution diluée, solution limpide, transmission, additivité des absorbances, choix de la longueur d’onde, blanc, spectre infrarouge, nombre d’onde, transmittance, liaison O–H, liaison N–H, liaison C=O, liaison C–H, ester, amine, amide, formule brute, empreinte digitale, contrôle d’un produit, suivi d’une transformation.

Pour préparer ce contrôle

  1. Relire le cours et la fiche de révision.
  2. Refaire les exercices corrigés.
  3. Se tester avec le QCM (24 questions).
  4. Faire ce sujet en conditions réelles — 90 min, sans le cours — puis se corriger et noter les points à revoir.

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Questions fréquentes sur ce sujet
Combien de temps dure ce contrôle sur « Analyse physique : spectroscopies UV-visible et infrarouge » ?
90 minutes pour 5 exercices notés sur 20. Prévois le double si tu enchaînes avec la correction.
Le corrigé est-il fourni ?
Oui : le corrigé complet est fourni en PDF (bouton « Télécharger le corrigé »), avec le barème exercice par exercice.
Ce sujet peut-il servir de DS, de contrôle ou d'interrogation ?
Oui : c'est un devoir surveillé complet de 90 minutes. Pour une interrogation courte, garde un ou deux exercices ; pour un DS ou un contrôle de fin de chapitre, fais le sujet entier en temps limité.
Ce sujet suit-il le programme de spécialité physique-chimie de terminale ?
Oui : il évalue uniquement les notions du chapitre « Analyse physique : spectroscopies UV-visible et infrarouge » du programme officiel de spécialité physique-chimie en terminale, soit : absorbance ; loi de Beer-Lambert ; exploiter la loi de Beer-Lambert pour déterminer une concentration ou une quantité de matière ; citer son domaine de validité ; spectroscopie UV-visible et infrarouge ; identification de groupes caractéristiques et d’espèces chimiques ; exploiter, à partir de données tabulées, un spectre d’absorption infrarouge ou UV-visible pour identifier un groupe caractéristique ou une espèce chimique.
Bloqué sur ce chapitre ?

Moi c'est Ben, j'ai créé ce site pour aider le plus d'élèves possible, partout en France. Je peux aussi reprendre avec toi ce qui coince en cours particulier : en visio, ou à domicile si tu es à Marseille.

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