IR.docx

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IR

SihamBenhabib

YuanWang

AndréaLeMarec

TPdeMP057 :

SpectroscopieInfrarouge

I.Introduction :

PrésentationduTP

1.Cadregénérald’unpointdevuegéochimique

2.Descriptiondelakaolinite

3.Protocoleexpérimental

4.Présentationdel’expérience

5.SpectroscopieInfrarougeparTransforméedeFourier

II.Résultats

III.Interprétations

1.Effetdel’eausurlespectred’absorption

2.Comparaisondesdeuxkaolinites

IV.Conclusion

I.Introduction :

PrésentationduTP

1.Cadregénérald’unpointdevuegéochimique

Formationdelakaolinite

Lakaoliniteestunminéralargileuxcourantetrépanduquel’ontrouvedanslesrochesargileuses.

Ilappartientàlaclassedessilicatesetprovientdel’altérationdesrochesacidesrichesenfeldspaths（granitetautres）àcausedel’eau.Lesélémentslesplussolublesdisparaissentaveclapluieetilnerestedoncquelesmoinssolubles,commel’AluminiumetleSilicium.

Intérêtdel’étudedelastructuredelakaolinite

Lakaoliniteentredanslacompositiondecéramiques,fibresdeverre,glaçagedupapier,matériauxdeconstruction,…Maissil’ons’intéresseàsastructureici,c’estparcequecellesitémoignede« l’histoire »delaroche.Eneffet,onpeutobserverdesdécalagesentrelesfeuillets（translations,rotations）etdesionspeuventsesubstituerauSiliciumetàl’Aluminiumdanslastructure.

SpectroscopieIR :

LastructuredelakaoliniteaétémiseenévidencepardiffractionauxrayonsX（lalongueurd’ondedesrayonsXétantdel’ordredel’Angströmc’est-à-diredel’ordredetailledesatomes）.Cettediffractionestdueauxélectrons :

lesrayonsXprovoquentundéplacementdunuageélectroniqueparrapportaunoyaudanslesatomes etlesoscillationsinduitesprovoquentuneréémissiond'ondesélectromagnétiquesdemêmefréquence.CependantHn’aqu’unseulélectronetdiffractedoncpeu.

EnspectroscopieInfrarougeenrevancheonmesurelesvibrationscollectivesdesatomes.LesHayantunemassetrèsinférieureàO,Al,etSi,l’énergiedevibrationdesgroupesOHseratrèssupérieureauxénergiesdevibrationsdesautresliaisons.DepluslesOHsonttrèssensiblesàleurenvironnement :

parexemple,uneliaisonhydrogèneimpliquantleOouleHaffaiblitlaliaisoncovalenteentreOetH,etdoncdiminuel’énergiedevibrationdelaliaison.

LaspectroscopieIRapportedoncdesinformationssurlastructuremoléculaireetlespropriétésdesmatériaux.

2.Descriptiondelakaolinite

LakaoliniteSi2Al2O5（OH）4estunminéralàstructurecristallineetlamellaire.Sesfeuilletssontconstituésdedeuxcouches :

unecouchedeSi2O5quiaunestructuretétraédrique,etunecouchedeAl2（OH）4quiaunestructureoctaédrique.LesfeuilletssontliésentreeuxpardesliaisonshydrogènesentrelesHensurfacedelacouchedeAl2（OH）4etlesOensurfacedelacouchedeAl2（OH）4.

3.Protocoleexpérimental

Ilfautunefaiblequantitédekaolinitepourlaspectroscopie :

latailled’unmonocristaldoitêtreinférieureauxlongueursd’ondesdufaisceauIRincidentpournepasqu’ilyaitd’interférences.C’estpourquoionfabriquedepetitespastillescontenantenviron1mgdekaoliniteet300mgdeKBr,transparentauxIR,servantdematricepourlakaolinite.

Préparationdelapastille :

-Biennettoyertouslesinstrumentsavecdel’éthanol（solvantquis’évaporerapidement）pouréliminerlesimpuretésquiperturberaientl’analyse.

-Peser300mgdeKBret1mgdekaolinite.

-MoudrelemélangeKBr+kaoliniteafind’obtenirunepoudrefinecommedelafarine.

-Ondéposelapoudreaucœurdedeuxenclumescylindriquescreusesdontlesextrémitéssontbouchées.

-Onplaceunpistonauniveaud’undesbouchons.

-Oncompressel’ensembleàl’aided’unepressemécanique,avecunepressionmaximalede8tonnes.

-Ondiminuelapressiontrèsdoucementcarilyunmcanismedesécuritétrèssensible.

-Onprocèdeàlacompressionunesecondefois.

-Onséparelesdeuxcylindres.

-Onrécupèrelapastilleenplaçantlepistonsurlebouchonetàl’aidedelapresse.

-Onmetlapastilledansunfourpendantunejournéeenvironafind’évaporerl’eaucaptéeparleKBr.

Onmetensuitelapastilledansunporte-échatillonquel’onplacedansleFTIR.

4.Présentationdel’expérience

DansceTPnousavonsréaliséquatrepastilles.Nousdisposionsdedeuxtypesdekaolinitesàcomparer（kaoliniteblancheetkaolinitebrune）.Nousavonsfaitdeuxpastillesdechaque,l’uneétaitmiseaufourpendantuneduréed’environ1h,etl’autrenon.

Echantillon1 :

kaolinitebrune（dite« kaolinite2 »）

KBr :

290,78mg

Kaolinitebrune :

0,99mg

Four :

1h27

Echantillon2 :

kaoliniteblanche（dite« kaolinite1 »）

KBr :

298,70mg

Kaolinitebrune :

1,02mg

Four :

53min

Echantillon3 :

kaoliniteblanche

KBr :

301,30mg

Kaolinitebrune :

0,98mg

Echantillon4 :

kaolinitebrune

KBr :

301,46mg

Kaolinitebrune :

1,04mg

5.SpectroscopieInfrarougeparTransforméedeFourier

LaspectroscopieinfrarougeTransforméedeFourierestunetechniquedemesurepourl’acquisitiondespectresd’absorptiondansl’infrarouged’échantillons.

Principe :

Lalumièreinfrarougetraversel’échantillondontonveutobtenirlespectreinfrarouge,puisestdirigéeversuninterféromètredeMichelson.

L’ondeincidentesurl’interféromètren’estpasmonochromatique, sonintensitéI0estunedistributionspectraleenintensitéBdépendantdunombred’ondes :

c’estcettedistributionspectralequel’oncherche.Àchaquenombred’ondecorrespondunecertaineintensité.L’intensitétotaleestdoncl’intégraleduspectre :

I0=0∫∞Bd

Seuleslesondesdemêmelongueurd’onde（doncmêmenombred’onde）peuventinterférer.Lalameséparatricedel’interféromètredivisel’ondeincidenteendeuxondesd’égaleintensité,chacunedirigéeversunmiroir.Lesmiroirssontplacésperpendiculairementl’unparrapportàl’autreetfontunanglede45ºaveclaséparatrice.

Lesondessontréfléchiesparlesmiroirsverslaséparatriceetinterfèrent.Undesmiroirsestdéplacéafindefairevarierladifférencedemarche∆Mentrelesdeuxondes.Ainsi,l’intensitérésultantepourchaquelongueurd’ondecomposantlespectrevarieencos（2π∆M/） :

lorsqueladifférencedemarchevautnlambda（nentier）l’intensitéestmaximalepourcettelongueurd’onde.L’intensitérésultantetotaleIestdoncl’intensitéinitialediviséepardeuxI0/2plusuntermevariantentreI0/2et–I0/2,c’estl’interférogramme :

I=0∫∞B（1+cos（2π∆M）） d

=I0/2+1/20∫∞Bcos（2π∆M） d

=I0/2+I（∆M）

LetermeI（∆M）àl’allured’unepartieréelled’unetransforméedeFourierdeB.Lenombred’ondeestuntermepositif,orlesbornesdelaTFdoiventêtre-∞et+∞.OnprolongedonclafonctionBpourlesvaleursnégativesdesortequ’ellesoitpaire,ainsiletermeimaginairedelaTFestnul.

Fonctionnement :

L’échantillonestplacédansunecuvehermétiquecontenantdel’azote（despurgessontfaitesrégulièrementcarilyaquandmêmequelquesinfiltrationsd’airextérieurdanslacuve）.

Lefaisceaurésultant（aprèsMichelson）esttransmisàundétecteur.

L’interférogrammeestrecueilliparunspectromètre,traitéparlecalculdetransformationdeFourieretconvertipourdonnerlespectreentierdel’échantillon.

Lespectromètreestreliéviaunecarted’acquisitiondedonnéesàunordinateurdisposantd’unlogicielpourl’acquisitionetl’analysedesdonnées.

II.Résultats

1.Spectresenfonctiondunombred’ondes :

LaTransforméedeFourierretournedirectementlespectred’absorptionenfonctiondunombred’ondes.

Ontraceleséchellesenénergieetenfréquence :

E（eV）=（hc/e）.

 =c.

III.Interprétations

1.Remarquespréliminaires

Nousobservonsbienquatrepicsd’absorptionpourlesgroupesOHdelakaolinite.Ilscorrespondentàleursmodespropresdevibrationcollective.

LemouvementdevibrationgénéraldesOHestunecombinaisonlinéairedecesquatremodespropres.Lesmodespropresontunechacununecontributiondifférentedanslemouvementgénéral.Lacontributiond’unmodeestcaractériséeparletauxd’absorptiondupiccorrespondant :

plusletauxd’absorptiond’unpicestélevé,plusle« poids »dumodeproprecorrespondantdanslemouvementdevibrationgénéraldesgroupesOHestimportant.

Nousappelleronslesmodespropres,prisverslesénergiescroissantes,respectivement :

modepropre1,modepropre2,modepropre3etmodepropre4.

Lesnombresd’onde,énergiesetfréquencesmesuréspourchaquemodeproprecorrespondentàunevibrationcollectivedegroupesOH,saufpourlemodepropre1quicorrespondaumouvementd’unseulgroupeOHaucœurdelamaille.

Al’aidedesreprésentationdesvibrationsdesOHmisenjeudanschaquemodepropredel’article,onpeuttenterd’expliquerlesdifférencesd’énergiesentrelesmodes.Eneffetmode1,quiimlpiquelegroupeOHaucœurdelamaille,estmoinsénergétiquequelesautresmodes,carilestentouréd’OadeplusforteschancesquelesautresOHd’établiruneliaisonhydrogèneentresonHetunO.Lemode4estunmouvementenphasede3groupesOHetestdoncplusénergétiquequelesmodes2et3dontlesMouvementsdesOHsontenoppositiondephase.

Ens’appuyantsurlemodèledel’oscillateurharmonique,nouspouvonscalculerlesconstantesderaideurscorrespondantàchaquemodedevibrationpropre.

Ona :

2=√（k/m）oùmestlamasseréduite,icinousprenonslamassedel’hydrogène.

Pourleskaolinitespasséesaufournousobtenonslesconstantesderaideurssuivantes :

Modepropre

Kaoliniteblanche

Kaolinitebrune

1

k=768,2N.m-1

k=777,5N.m-1

2

k=782,3N.m-1

k=792,2N.m-1

3

k=798,7N.m-1

k=799,1N.m-1

4

k=810,1N.m-1

k=810,9N.m-