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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
Trente-six questions de QCM en trois niveaux, chacune corrigée : les repères de la loi de Beer-Lambert et de la lecture d’un spectre infrarouge, puis des calculs de concentrations, de nombres d’onde et de mélanges, enfin des raisonnements sur la validité d’une mesure, le blanc et la preuve de l’identité d’une espèce.

Les 36 questions du QCM en version texte

Pour réviser sans écran ou imprimer : chaque question avec ses propositions ; la bonne réponse et son explication se déplient.

Niveau facile ★ — 12 questions

  1. Dans la loi de Beer-Lambert A = ε × ℓ × c, la lettre ℓ désigne :

    • A. la longueur d’onde de la radiation utilisée
    • B. la largeur de la bande d’absorption étudiée
    • C. l’épaisseur de solution traversée par la lumière
    • D. la longueur totale du spectrophotomètre
    Réponse

    C. l’épaisseur de solution traversée par la lumière — ℓ est la longueur de la cuve traversée par le faisceau, en cm ; la longueur d’onde se note λ.

  2. Le coefficient d’absorption molaire ε d’une espèce ne dépend pas :

    • A. de la concentration de la solution
    • B. de la longueur d’onde de la mesure
    • C. du solvant dans lequel elle est dissoute
    • D. de l’espèce chimique qui absorbe
    Réponse

    A. de la concentration de la solution — ε dépend de l’espèce, de la longueur d’onde, du solvant et de la température ; c’est A qui est proportionnelle à c.

  3. Pour identifier une espèce par son spectre UV-visible, on compare son λmax à des valeurs tabulées mesurées :

    • A. à la même concentration
    • B. avec la même masse de soluté
    • C. avec le même volume de solution
    • D. dans le même solvant
    Réponse

    D. dans le même solvant — Le solvant peut déplacer λmax ; la concentration change la hauteur de la bande, pas sa position.

  4. Une absorbance A = 2 signifie que la solution transmet :

    • A. 2 % de la lumière
    • B. 1 % de la lumière
    • C. 20 % de la lumière
    • D. 50 % de la lumière
    Réponse

    B. 1 % de la lumière — A = log(I₀ ÷ I) = 2, donc I₀ ÷ I = 100 : la solution transmet 1 % de la lumière.

  5. Dans un mélange d’espèces qui ne réagissent pas entre elles, l’absorbance à une longueur d’onde est :

    • A. l’absorbance de l’espèce la plus concentrée
    • B. la somme des absorbances dues à chaque espèce
    • C. le produit des absorbances dues à chaque espèce
    • D. la moyenne des absorbances dues à chaque espèce
    Réponse

    B. la somme des absorbances dues à chaque espèce — Les absorbances sont additives : A = ε₁ ℓ c₁ + ε₂ ℓ c₂ + …

  6. Sur un spectre infrarouge, une absorption apparaît comme :

    • A. une bande vers le haut, où la transmittance dépasse 100 %
    • B. une zone plate où la transmittance reste nulle
    • C. un trait vertical, où l’absorbance devient infinie
    • D. une bande vers le bas, où la transmittance est faible
    Réponse

    D. une bande vers le bas, où la transmittance est faible — L’axe vertical porte la transmittance : là où la liaison absorbe, moins de rayonnement traverse, la courbe descend.

  7. Vers 3 300 – 3 500 cm⁻¹, un groupe –NH₂ donne :

    • A. deux bandes N–H
    • B. une seule bande N–H
    • C. aucune bande N–H
    • D. trois bandes N–H
    Réponse

    A. deux bandes N–H — Deux bandes pour –NH₂, une pour –NH–, aucune si l’azote ne porte pas d’atome d’hydrogène.

  8. La bande C = O d’un ester se situe dans le domaine :

    • A. 2 500 – 3 200 cm⁻¹
    • B. 3 100 – 3 500 cm⁻¹
    • C. 1 700 – 1 750 cm⁻¹
    • D. 2 800 – 3 000 cm⁻¹
    Réponse

    C. 1 700 – 1 750 cm⁻¹ — C = O d’ester : bande forte et fine entre 1 700 et 1 750 cm⁻¹ ; les autres domaines sont ceux de O–H d’acide, N–H et C–H.

  9. L’empreinte digitale d’un spectre IR est la zone :

    • A. au-dessus de 3 000 cm⁻¹, propre aux liaisons O–H
    • B. entre 1 650 et 1 750 cm⁻¹, propre aux liaisons C = O
    • C. entre 2 800 et 3 000 cm⁻¹, propre aux liaisons C–H
    • D. en dessous de 1 500 cm⁻¹, propre à chaque molécule
    Réponse

    D. en dessous de 1 500 cm⁻¹, propre à chaque molécule — En dessous de 1 500 cm⁻¹, les bandes sont nombreuses et propres à chaque molécule : on les compare à un spectre de référence.

  10. Un amide se reconnaît en IR à :

    • A. une bande O–H très large et une bande C = O fine
    • B. une bande C = O et, si l’azote porte des H, des bandes N–H
    • C. deux bandes N–H sans aucune bande C = O forte
    • D. une bande C = O fine et aucune autre bande forte
    Réponse

    B. une bande C = O et, si l’azote porte des H, des bandes N–H — Groupe –CO–N : C = O vers 1 630 – 1 700 cm⁻¹, et une ou deux bandes N–H selon le nombre d’atomes H sur l’azote.

  11. En spectroscopie UV-visible, le domaine de l’ultraviolet s’étend environ de :

    • A. 400 à 800 nm
    • B. 800 à 2 500 nm
    • C. 200 à 400 nm
    • D. 2 500 à 4 000 nm
    Réponse

    C. 200 à 400 nm — Ultraviolet : environ 200 à 400 nm ; visible : 400 à 800 nm ; au-delà, c’est l’infrarouge.

  12. Pour doser une espèce dans un mélange, on mesure de préférence à une longueur d’onde où :

    • A. elle seule absorbe
    • B. toutes les espèces absorbent
    • C. aucune espèce n’absorbe
    • D. le solvant absorbe le plus
    Réponse

    A. elle seule absorbe — L’absorbance mesurée est alors due à cette seule espèce : A = ε ℓ c donne directement sa concentration.

Niveau moyen ★★ — 12 questions

  1. ε = 2,0 × 10⁴ L·mol⁻¹·cm⁻¹, ℓ = 1,00 cm et A = 0,30. La concentration vaut :

    • A. 6,0 × 10³ mol·L⁻¹
    • B. 1,5 × 10⁻⁵ mol·L⁻¹
    • C. 1,5 × 10⁻⁴ mol·L⁻¹
    • D. 6,7 × 10⁻⁵ mol·L⁻¹
    Réponse

    B. 1,5 × 10⁻⁵ mol·L⁻¹ — c = A ÷ (ε × ℓ) = 0,30 ÷ (2,0 × 10⁴) = 1,5 × 10⁻⁵ mol·L⁻¹.

  2. Une solution à 4,0 × 10⁻⁵ mol·L⁻¹ donne A = 0,60 dans une cuve de 5,0 mm. Son coefficient ε vaut :

    • A. 1,5 × 10⁴ L·mol⁻¹·cm⁻¹
    • B. 3,0 × 10⁵ L·mol⁻¹·cm⁻¹
    • C. 3,0 × 10³ L·mol⁻¹·cm⁻¹
    • D. 3,0 × 10⁴ L·mol⁻¹·cm⁻¹
    Réponse

    D. 3,0 × 10⁴ L·mol⁻¹·cm⁻¹ — ℓ = 5,0 mm = 0,50 cm : ε = A ÷ (ℓ × c) = 0,60 ÷ (0,50 × 4,0 × 10⁻⁵) = 3,0 × 10⁴. Oublier ℓ donne 1,5 × 10⁴ ; prendre ℓ = 5 donne 3,0 × 10³, et ℓ = 0,05 donne 3,0 × 10⁵.

  3. Une solution diluée 10 fois donne A = 0,25, avec ε × ℓ = 2,5 × 10⁴ L·mol⁻¹. La solution de départ est à :

    • A. 1,0 × 10⁻⁴ mol·L⁻¹
    • B. 1,0 × 10⁻⁵ mol·L⁻¹
    • C. 1,0 × 10⁻⁶ mol·L⁻¹
    • D. 1,0 × 10⁻³ mol·L⁻¹
    Réponse

    A. 1,0 × 10⁻⁴ mol·L⁻¹ — Solution diluée : 0,25 ÷ (2,5 × 10⁴) = 1,0 × 10⁻⁵ mol·L⁻¹ ; la solution de départ est 10 fois plus concentrée.

  4. Une espèce colorée P, avec ε × ℓ = 1,2 × 10³ L·mol⁻¹, donne A = 0,36 dans un mélange de 50,0 mL. La quantité de P vaut :

    • A. 3,0 × 10⁻⁴ mol
    • B. 1,5 × 10⁻² mol
    • C. 1,5 × 10⁻⁵ mol
    • D. 6,0 × 10⁻³ mol
    Réponse

    C. 1,5 × 10⁻⁵ mol — [P] = 0,36 ÷ (1,2 × 10³) = 3,0 × 10⁻⁴ mol·L⁻¹, puis n = 3,0 × 10⁻⁴ × 0,0500 = 1,5 × 10⁻⁵ mol ; 1,5 × 10⁻² vient d’un volume laissé en mL.

  5. Le nombre d’onde d’une bande de longueur d’onde 3,03 µm vaut environ :

    • A. 3 300 cm⁻¹
    • B. 330 cm⁻¹
    • C. 33 000 cm⁻¹
    • D. 3,30 cm⁻¹
    Réponse

    A. 3 300 cm⁻¹ — λ = 3,03 × 10⁻⁴ cm, donc σ = 1 ÷ (3,03 × 10⁻⁴) ≈ 3 300 cm⁻¹.

  6. Une bande de longueur d’onde 3,45 µm correspond à :

    • A. 2 899 cm⁻¹, domaine des liaisons N–H
    • B. 290 cm⁻¹, dans l’empreinte digitale
    • C. 2 899 cm⁻¹, domaine des liaisons C–H
    • D. 5 797 cm⁻¹, hors du spectre IR usuel
    Réponse

    C. 2 899 cm⁻¹, domaine des liaisons C–H — σ = 1 ÷ (3,45 × 10⁻⁴) ≈ 2 899 cm⁻¹ : entre 2 800 et 3 000 cm⁻¹, domaine des liaisons C–H ; les N–H sont au-dessus de 3 100 cm⁻¹.

  7. Dans un mélange, A(430) = 0,50, dont 0,08 est dû à l’espèce Y. Avec ε × ℓ = 2,1 × 10⁴ L·mol⁻¹ pour X, c(X) vaut :

    • A. 2,4 × 10⁻⁵ mol·L⁻¹
    • B. 2,8 × 10⁻⁵ mol·L⁻¹
    • C. 3,8 × 10⁻⁶ mol·L⁻¹
    • D. 2,0 × 10⁻⁵ mol·L⁻¹
    Réponse

    D. 2,0 × 10⁻⁵ mol·L⁻¹ — La part de X vaut 0,50 − 0,08 = 0,42, et 0,42 ÷ (2,1 × 10⁴) = 2,0 × 10⁻⁵ mol·L⁻¹ ; oublier Y donne 2,4 × 10⁻⁵.

  8. Une espèce C₇H₁₄O montre une bande forte et fine à 1 725 cm⁻¹ et deux bandes moyennes à 2 815 et 2 715 cm⁻¹. C’est :

    • A. une cétone
    • B. un aldéhyde
    • C. un ester
    • D. un acide carboxylique
    Réponse

    B. un aldéhyde — 1 725 cm⁻¹ est dans le domaine des C = O d’aldéhyde ou de cétone, et aussi dans celui des esters. Un seul atome O exclut l’ester et l’acide ; les deux bandes moyennes vers 2 700 – 2 900 cm⁻¹ sont celles du C–H du groupe –CHO : c’est un aldéhyde.

  9. Une espèce C₆H₁₃NO montre une bande forte à 1 655 cm⁻¹ et deux bandes N–H. C’est :

    • A. une amine dont l’azote porte deux H
    • B. un ester dont la chaîne porte un azote
    • C. un amide dont l’azote porte deux H
    • D. un amide dont l’azote ne porte aucun H
    Réponse

    C. un amide dont l’azote porte deux H — C = O vers 1 655 cm⁻¹ avec un azote : groupe amide ; deux bandes N–H : –CO–NH₂.

  10. Une solution donne A = 0,36 dans une cuve de 1,00 cm. Dans une cuve de 0,20 cm, elle donne :

    • A. 0,072
    • B. 1,8
    • C. 0,36
    • D. 0,18
    Réponse

    A. 0,072 — A est proportionnelle à ℓ : 0,36 × 0,20 = 0,072.

  11. c = 5,0 × 10⁻⁵ mol·L⁻¹ et M = 500 g·mol⁻¹. La concentration en masse vaut :

    • A. 0,25 mg·L⁻¹
    • B. 25 mg·L⁻¹
    • C. 2,5 mg·L⁻¹
    • D. 250 mg·L⁻¹
    Réponse

    B. 25 mg·L⁻¹ — c_m = c × M = 5,0 × 10⁻⁵ × 500 = 2,5 × 10⁻² g·L⁻¹ = 25 mg·L⁻¹.

  12. Une espèce C₇H₁₄O₂ montre une bande forte à 1 708 cm⁻¹ et une bande très large de 2 500 à 3 100 cm⁻¹. C’est :

    • A. un ester méthylique
    • B. une hydroxycétone
    • C. un aldéhyde ramifié
    • D. un acide carboxylique
    Réponse

    D. un acide carboxylique — O–H très large entre 2 500 et 3 200 cm⁻¹ avec une bande C = O vers 1 700 cm⁻¹ : groupe carboxyle.

Niveau difficile ★★★ — 12 questions

  1. Deux espèces ont des λmax de 610 et 612 nm ; l’appareil lit à ± 2 nm près. Le maximum d’un échantillon est lu à 611 nm. On peut dire :

    • A. c’est sûrement l’espèce de 612 nm
    • B. c’est sûrement l’espèce de 610 nm
    • C. c’est forcément un mélange des deux
    • D. les deux espèces restent possibles
    Réponse

    D. les deux espèces restent possibles — Les deux valeurs sont à moins de 2 nm de 611 nm : il faut comparer le spectre entier aux spectres de référence, ou utiliser une autre méthode.

  2. Une solution très concentrée donne A = 3,2, et l’on calcule c = A ÷ (ε × ℓ). Le résultat est :

    • A. exact : la loi vaut à toute concentration
    • B. peu fiable : on sort du domaine de validité
    • C. exact si le blanc est fait avec le solvant
    • D. fiable si l’on mesure à la longueur λmax
    Réponse

    B. peu fiable : on sort du domaine de validité — Au-delà du domaine de validité, A n’est plus proportionnelle à c, et une si grande absorbance est mal mesurée : il faut diluer.

  3. Une solution un peu trouble donne une absorbance :

    • A. plus petite que celle de l’espèce dissoute
    • B. égale à celle de l’espèce dissoute
    • C. plus grande que celle de l’espèce dissoute
    • D. nulle à toutes les longueurs d’onde
    Réponse

    C. plus grande que celle de l’espèce dissoute — Les particules diffusent la lumière : moins de lumière sort de la cuve, l’absorbance mesurée augmente faussement.

  4. Pour appliquer A = ε × ℓ × c, le spectrophotomètre éclaire la cuve avec une seule longueur d’onde, parce que :

    • A. ε dépend de la longueur d’onde de la radiation
    • B. la lumière blanche traverse la cuve sans être absorbée
    • C. une cuve en verre arrête la lumière blanche
    • D. le blanc ne se fait qu’avec une radiation colorée
    Réponse

    A. ε dépend de la longueur d’onde de la radiation — La loi vaut pour une radiation donnée : ε change avec la longueur d’onde, et une lumière blanche mêlerait des absorptions de coefficients différents.

  5. Une espèce C₃H₉N ne présente aucune bande entre 3 100 et 3 500 cm⁻¹. On en déduit :

    • A. son azote porte deux atomes d’hydrogène
    • B. c’est un amide qui n’a pas de liaison N–H
    • C. son azote est lié à trois atomes de carbone
    • D. c’est un alcool dont la bande O–H manque
    Réponse

    C. son azote est lié à trois atomes de carbone — Aucune bande N–H : l’azote ne porte pas d’hydrogène ; sans oxygène, ce ne peut être ni un amide ni un alcool.

  6. Une bande large vers 3 300 cm⁻¹ peut être due :

    • A. à un O–H lié ou à un N–H
    • B. seulement à un O–H d’alcool lié
    • C. seulement à un N–H d’amine
    • D. à une liaison C = O d’ester
    Réponse

    A. à un O–H lié ou à un N–H — Les deux domaines se recouvrent : on tranche avec la formule brute et les autres bandes.

  7. Un produit de synthèse présente les bandes attendues au-dessus de 1 500 cm⁻¹. Pour affirmer son identité, il faut encore :

    • A. mesurer son absorbance à 260 nm
    • B. comparer tout son spectre à une référence
    • C. vérifier qu’il n’a aucune bande C–H
    • D. refaire son spectre dans l’eau
    Réponse

    B. comparer tout son spectre à une référence — Un isomère de même famille a les mêmes bandes : seule la superposition du spectre entier, empreinte digitale comprise, confirme l’identité.

  8. Pendant l’hydratation d’un alcène en alcool, on observe :

    • A. une bande O–H large diminue, la bande C = C apparaît
    • B. les bandes C = C et O–H augmentent ensemble
    • C. une bande C = O forte apparaît vers 1 700 cm⁻¹
    • D. la bande C = C diminue, une bande O–H large apparaît
    Réponse

    D. la bande C = C diminue, une bande O–H large apparaît — Le réactif a une liaison C = C (1 620 – 1 680 cm⁻¹) et pas de O–H ; le produit, un alcool, a un O–H lié (3 200 – 3 400 cm⁻¹, large) et plus de C = C.

  9. On mesure A dans une cuve de 2,00 cm, mais on calcule ε comme si ℓ valait 1,00 cm. La valeur obtenue est :

    • A. deux fois trop grande
    • B. deux fois trop petite
    • C. quatre fois trop grande
    • D. tout de même correcte
    Réponse

    A. deux fois trop grande — ε = A ÷ (ℓ × c) : en divisant par 1,00 au lieu de 2,00, on obtient le double de la vraie valeur.

  10. Une solution jaune a son maximum à 420 nm ; deux candidats sont à 415 et 426 nm, et l’appareil lit à ± 2 nm près. On peut dire :

    • A. c’est le candidat de 415 nm, le plus proche
    • B. c’est le candidat de 426 nm, le plus courant
    • C. les deux conviennent, à la précision près
    • D. aucun des deux, seul, ne convient
    Réponse

    D. aucun des deux, seul, ne convient — 420 nm est à 5 nm de 415 nm et à 6 nm de 426 nm, au-delà de ± 2 nm : il s’agit d’une autre espèce, ou d’un mélange dont les bandes se recouvrent.

  11. L’additivité A = ε₁ ℓ c₁ + ε₂ ℓ c₂ ne s’applique plus si :

    • A. les deux espèces absorbent à la même longueur d’onde
    • B. les espèces du mélange réagissent entre elles
    • C. la cuve utilisée mesure 1,00 cm d’épaisseur
    • D. l’une des deux espèces est incolore
    Réponse

    B. les espèces du mélange réagissent entre elles — L’additivité suppose que chaque espèce garde sa concentration et son ε : une réaction entre elles change le mélange.

  12. Pour suivre une transformation par spectroscopie IR, on choisit de préférence une bande :

    • A. commune à tous les réactifs et produits
    • B. située dans l’empreinte digitale
    • C. propre à un réactif, absente des produits
    • D. due aux liaisons C–H des chaînes
    Réponse

    C. propre à un réactif, absente des produits — Sa diminution mesure alors la consommation du réactif ; une bande commune aux réactifs et aux produits, comme celle des C–H, ne change presque pas.

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