Spectroscopie IR et RMN : exercices de sciences physiques terminale – PDF gratuit à télécharger et imprimer

1. Que représente l’axe horizontal d’un spectre IR ? Quelle est son unité usuelle ?
2. Qu’appelle-t-on bande d’absorption ? Comment la reconnaît-on sur un spectre de transmittance ?
3. Quelle est la référence d’un spectre RMN du proton et quelle valeur de δ lui attribue-t-on ?
4. Que mesure la courbe d’intégration ?
5. Énonce la règle des (n + 1).

Dis si chaque affirmation est vraie ou fausse et justifie.

a. Sur un spectre IR, les nombres d’onde sont rangés dans l’ordre croissant de gauche à droite.
b. Une bande forte et large vers 3 300 cm⁻¹ évoque un groupe hydroxyle lié.
c. Les trois protons d’un groupe CH₃ donnent trois signaux distincts.
d. Un signal à δ = 9,8 ppm peut correspondre à un proton d’aldéhyde.
e. La propanone donne un triplet en RMN du proton.
f. Plus la transmittance est faible à un nombre d’onde donné, plus l’absorption est forte.
g. La valeur de δ dépend de la fréquence de travail du spectromètre.

1. Calcule le nombre d’onde d’une radiation de longueur d’onde 3,0 µm.
2. Calcule la longueur d’onde, en µm, d’une radiation de nombre d’onde 1 710 cm⁻¹.
3. Même question pour 2 900 cm⁻¹.
4. Détermine les longueurs d’onde qui limitent le domaine 4 000 cm⁻¹ à 400 cm⁻¹.

Le spectromètre travaille à ν₀ = 400 MHz.

1. Un signal est décalé de 1 200 Hz par rapport au TMS. Calcule δ.
2. Un signal est observé à δ = 2,10 ppm. Calcule son écart en fréquence avec le TMS.
3. Quel écart obtiendrait-on pour ce même signal sur un spectromètre de 60 MHz ?
4. Pourquoi exprime-t-on δ en ppm plutôt qu’en Hz ?

Le spectre infrarouge d’un liquide de formule brute C₄H₈O est donné ci-dessous.

1. Relève, à 50 cm⁻¹ près, le nombre d’onde des deux bandes principales.
2. À quelles liaisons les associes-tu ? Quelle est l’allure de la bande la plus intense ?
3. Y a-t-il une bande O–H ? Justifie à partir du spectre.
4. Le composé peut être la butan-2-one ou le but-3-én-1-ol. Lequel retiens-tu ? Argumente.

On étudie le spectre IR ci-dessous. Les deux molécules envisagées sont l’acide éthanoïque CH₃–COOH et le méthanoate de méthyle H–CO–O–CH₃.

1. Relève les nombres d’onde et l’allure des bandes les plus marquées.
2. Quel groupe caractéristique la bande très large trahit-elle ?
3. Quel groupe caractéristique la bande vers 1 710 cm⁻¹ trahit-elle ?
4. Conclus : quelle est la molécule ? Pourquoi l’autre est-elle exclue ?

Pour chaque molécule, indique le nombre de signaux attendus en RMN du proton en justifiant par les protons équivalents : éthanol CH₃CH₂OH ; propanone CH₃COCH₃ ; éthanal CH₃CHO ; méthoxyméthane CH₃OCH₃ ; éthanoate de méthyle CH₃COOCH₃ ; propane CH₃CH₂CH₃.

Pour chaque composé, indique, pour chaque groupe de protons, le nombre de protons voisins, la multiplicité et le rapport des intensités des pics : bromoéthane CH₃CH₂Br ; 1,1-dichloroéthane CH₃CHCl₂ ; 2-bromopropane (CH₃)₂CHBr ; 1,2-dichloroéthane ClCH₂CH₂Cl.

Un composé de formule brute C₂H₆O pourrait être l’éthanol CH₃CH₂OH ou le méthoxyméthane CH₃OCH₃. Son spectre RMN est donné ; l’intégration relative est indiquée sous chaque signal.

1. Combien de signaux le spectre comporte-t-il ? Que peut-on en déduire pour le méthoxyméthane ?
2. Précise la multiplicité de chaque signal.
3. Attribue chaque signal à un groupe de protons de l’éthanol.
4. Pourquoi le signal d’intégration 1 est-il un singulet ?

Le spectre RMN de l’éthylbenzène C₈H₁₀ présente, de la gauche vers la droite : un massif à 7,2 ppm, un quadruplet à 2,6 ppm et un triplet à 1,2 ppm. Les hauteurs des marches d’intégration valent respectivement 15 mm, 6 mm et 9 mm.

1. Calcule la hauteur de marche correspondant à un proton.
2. Déduis le nombre de protons de chaque signal.
3. Associe chaque signal à un groupe de protons de la molécule C₆H₅–CH₂–CH₃.
4. Justifie la multiplicité du quadruplet et celle du triplet.

L’éthanoate d’éthyle CH₃COOCH₂CH₃ et le propanoate de méthyle CH₃CH₂COOCH₃ ont la même formule brute C₄H₈O₂. Voici le spectre RMN de l’un des deux.

1. Pour chaque ester, prévois le nombre de signaux, leur multiplicité et leur intégration.
2. Quel est l’ester étudié ? Justifie par la multiplicité et par les valeurs de δ.
3. À quel groupe de protons correspond le singulet à 3,7 ppm ?

Un composé de formule brute C₃H₆O₂ a un spectre IR présentant une bande très large de 2 500 à 3 300 cm⁻¹ et une bande forte à 1 710 cm⁻¹. Son spectre RMN est représenté avec la courbe d’intégration.

1. Détermine le nombre de protons correspondant à chaque signal.
2. Quel groupe caractéristique l’IR met-il en évidence ?
3. Précise la multiplicité de chaque signal et attribue-le.
4. Écris la formule semi-développée du composé et nomme-le.

Les trois molécules sont : la propanone CH₃COCH₃, le propanal CH₃CH₂CHO et le prop-2-én-1-ol CH₂=CH–CH₂OH.

1. Pour chacune, indique les bandes caractéristiques attendues en IR.
2. Indique le nombre de signaux de la propanone et celui du propanal en RMN du proton ; précise leurs multiplicités.
3. Une seule mesure suffit-elle à distinguer la propanone des deux autres molécules ? Laquelle ?

Utilise l’échelle ci-dessous pour associer chaque signal à un type de proton : δ = 0,9 ; 2,1 ; 3,6 ; 5,3 ; 7,2 ; 9,7 ; 11,0 ppm.

Précise, quand c’est possible, si deux types de protons conviennent.

On rappelle A = −log T, avec T sans unité (T = 0,25 pour 25 %).

1. Calcule A pour T = 25 % puis pour T = 50 %.
2. Calcule la transmittance (en %) correspondant à A = 1,00, puis à A = 2,00.
3. Une bande IR atteint une transmittance minimale de 5 %. Calcule l’absorbance correspondante.
4. Pourquoi les bandes d’un spectre de transmittance pointent-elles vers le bas ?

L’éthanol CH₃CH₂OH peut être oxydé en acide éthanoïque CH₃COOH. Le spectre IR de l’éthanol présente une bande large et forte vers 3 340 cm⁻¹ ; celui du produit présente une bande très large de 2 500 à 3 200 cm⁻¹ et une bande fine à 1 710 cm⁻¹.

1. Quelle différence essentielle observe-t-on entre les deux spectres IR ?
2. Prévois le nombre de signaux, la multiplicité et l’intégration en RMN pour l’éthanol et pour l’acide éthanoïque.
3. Quels signaux doivent avoir disparu si l’éthanol a été totalement consommé ?

Chaque phrase contient une erreur. Corrige-la.

a. Un quadruplet correspond à un groupe de protons ayant 4 voisins.
b. Un spectre IR est tracé en fonction de la longueur d’onde en nanomètres.
c. Le TMS a un déplacement chimique de 1 ppm.
d. Une bande à 1 715 cm⁻¹ caractérise la liaison O–H.
e. L’aire d’un signal RMN est proportionnelle au nombre de pics du multiplet.

Un composé de formule brute C₄H₈O possède un spectre IR avec une seule bande forte et fine à 1 715 cm⁻¹ et aucune bande au-dessus de 3 100 cm⁻¹. Son spectre RMN comporte : un triplet à 1,0 ppm (3 H), un singulet à 2,1 ppm (3 H) et un quadruplet à 2,4 ppm (2 H).

1. Quel groupe caractéristique l’IR révèle-t-il ? Peut-il s’agir d’un alcool ?
2. Associe chaque signal RMN à un groupe de protons et justifie les multiplicités.
3. Écris la formule semi-développée du composé et donne son nom.

On synthétise l’éthanoate d’éthyle à partir d’éthanol et d’acide éthanoïque. Le spectre IR du produit brut présente une bande large vers 3 300 cm⁻¹, une bande très large de 2 500 à 3 200 cm⁻¹ et une bande à 1 740 cm⁻¹ accompagnée d’un épaulement vers 1 710 cm⁻¹. Après purification, le spectre ne montre plus que la bande à 1 740 cm⁻¹ et des bandes C–H et C–O.

1. Que révèlent les bandes larges du produit brut ?
2. Que prouve le spectre du produit purifié ?
3. Décris le spectre RMN attendu pour l’ester pur (nombre de signaux, multiplicités, intégration).
4. Quel signal du spectre RMN de l’éthanol résiduel permettrait de détecter une impureté ?

Trois flacons ont perdu leur étiquette : ils contiennent du propan-1-ol, de la propanone et de l’acide propanoïque. Tu disposes d’un spectromètre IR et d’un spectromètre RMN du proton.

Propose une démarche expérimentale et argumentée pour identifier chaque flacon : précise ce que tu observes au spectre IR, puis ce que la RMN apporte en plus (nombre de signaux, multiplicités), et indique dans quel ordre tu travaillerais.