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1、IRSiham BenhabibYuan WangAndra Le MarecTP de MP057:Spectroscopie Infrarouge I. Introduction: Prsentation du TP 1. Cadre gnral dun point de vue gochimique 2. Description de la kaolinite 3. Protocole exprimental 4. Prsentation de lexprience 5. Spectroscopie Infrarouge par Transforme de FourierII. Rsul

2、tats III. Interprtations 1. Effet de leau sur le spectre dabsorption 2. Comparaison des deux kaolinitesIV. ConclusionI. Introduction: Prsentation du TP1. Cadre gnral dun point de vue gochimiqueFormation de la kaoliniteLa kaolinite est un minral argileux courant et rpandu que lon trouve dans les roch

3、es argileuses.Il appartient la classe des silicates et provient de laltration des roches acides riches en feldspaths (granit et autres) cause de leau. Les lments les plus solubles disparaissent avec la pluie et il ne reste donc que les moins solubles, comme lAluminium et le Silicium.Intrt de ltude d

4、e la structure de la kaoliniteLa kaolinite entre dans la composition de cramiques, fibres de verre, glaage du papier, matriaux de construction, Mais si lon sintresse sa structure ici, cest parce que celle si tmoigne de lhistoire de la roche. En effet, on peut observer des dcalages entre les feuillet

5、s (translations, rotations) et des ions peuvent se substituer au Silicium et lAluminium dans la structure. Spectroscopie IR:La structure de la kaolinite a t mise en vidence par diffraction aux rayons X (la longueur donde des rayons X tant de lordre de lAngstrm cest-dire de lordre de taille des atome

6、s). Cette diffraction est due aux lectrons: les rayons X provoquent un dplacement du nuage lectronique par rapport au noyau dans les atomeset les oscillations induites provoquent une rmission dondes lectromagntiques de mme frquence. Cependant H na quun seul lectron et diffracte donc peu.En spectrosc

7、opie Infrarouge en revanche on mesure les vibrations collectives des atomes. Les H ayant une masse trs infrieure O, Al, et Si, lnergie de vibration des groupes OH sera trs suprieure aux nergies de vibrations des autres liaisons. De plus les OH sont trs sensibles leur environnement: par exemple, une

8、liaison hydrogne impliquant le O ou le H affaiblit la liaison covalente entre O et H, et donc diminue lnergie de vibration de la liaison.La spectroscopie IR apporte donc des informations sur la structure molculaire et les proprits des matriaux.2. Description de la kaoliniteLa kaolinite Si2Al2O5(OH)4

9、 est un minral structure cristalline et lamellaire. Ses feuillets sont constitus de deux couches: une couche de Si2O5 qui a une structure ttradrique, et une couche de Al2(OH)4 qui a une structure octadrique. Les feuillets sont lis entre eux par des liaisons hydrognes entre les H en surface de la cou

10、che de Al2(OH)4 et les O en surface de la couche de Al2(OH)4.3. Protocole exprimentalIl faut une faible quantit de kaolinite pour la spectroscopie: la taille dun monocristal doit tre infrieure aux longueurs dondes du faisceau IR incident pour ne pas quil y ait dinterfrences. Cest pourquoi on fabriqu

11、e de petites pastilles contenant environ 1mg de kaolinite et 300 mg de KBr, transparent aux IR, servant de matrice pour la kaolinite.Prparation de la pastille: - B ien nettoyer tous les instruments avec de lthanol (solvant qui svapore rapidement) pour liminer les impurets qui perturberaient lanalyse

12、.- Peser 300 mg de KBr et 1 mg de kaolinite.- Moudre le mlange KBr + kaolinite afin dobtenir une poudre fine comme de la farine.- On dpose la poudre au cur de deux enclumes cylindriques creuses dont les extrmits sont bouches.- On place un piston au niveau dun des bouchons.- On compresse lensemble la

13、ide dune presse mcanique, avec une pression maximale de 8 tonnes.- On diminue la pression trs doucement car il y un mcanisme de scurit trs sensible.- On procde la compression une seconde fois.- On spare les deux cylindres.- On rcupre la pastille en plaant le piston sur le bouchon et laide de la pres

14、se.- On met la pastille dans un four pendant une journe environ afin dvaporer leau capte par le KBr.On met ensuite la pastille dans un porte-chatillon que lon place dans le FTIR.4. Prsentation de lexprienceDans ce TP nous avons ralis quatre pastilles. Nous disposions de deux types de kaolinites comp

15、arer (kaolinite blanche et kaolinite brune). Nous avons fait deux pastilles de chaque, lune tait mise au four pendant une dure denviron 1h, et lautre non.Echantillon 1: kaolinite brune (dite kaolinite 2)KBr: 290,78 mgKaolinite brune: 0,99 mgFour: 1h27Echantillon 2: kaolinite blanche (dite kaolinite

16、1)KBr: 298,70 mgKaolinite brune: 1,02 mgFour: 53 minEchantillon 3: kaolinite blancheKBr: 301,30 mgKaolinite brune: 0,98 mgEchantillon 4: kaolinite bruneKBr: 301,46 mgKaolinite brune: 1,04 mg5. Spectroscopie Infrarouge par Transforme de FourierLa spectroscopie infrarouge Transforme de Fourier est une

17、 technique de mesure pour lacquisition de spectres dabsorption dans linfrarouge dchantillons. Principe:La lumire infrarouge traverse lchantillon dont on veut obtenir le spectre infrarouge, puis est dirige vers un interfromtre de Michelson.Londe incidente sur linterfromtre nest pas monochromatique,so

18、n intensit I0 est une distribution spectrale en intensit B dpendant du nombre dondes : cest cette distribution spectrale que lon cherche. chaque nombre donde correspond une certaine intensit. Lintensit totale est donc lintgrale du spectre: I0 = 0 B dSeules les ondes de mme longueur donde (donc mme n

19、ombre donde ) peuvent interfrer. La lame sparatrice de linterfromtre divise londe incidente en deux ondes dgale intensit, chacune dirige vers un miroir. Les miroirs sont placs perpendiculairement lun par rapport lautre et font un angle de 45 avec la sparatrice.Les ondes sont rflchies par les miroirs

20、 vers la sparatrice et interfrent. Un des miroirs est dplac afin de faire varier la diffrence de marche M entre les deux ondes. Ainsi, lintensit rsultante pour chaque longueur donde composant le spectre varie en cos(2M/): lorsque la diffrence de marche vaut n lambda (n entier) lintensit est maximale

21、 pour cette longueur donde. Lintensit rsultante totale I est donc lintensit initiale divise par deux I0/2 plus un terme variant entre I0/2 et I0/2, cest linterfrogramme: I = 0 B (1 + cos(2M)d = I0/2 + 1/2 0 B cos(2M)d = I0/2 + I(M)Le terme I(M) lallure dune partie relle dune transforme de Fourier de

22、 B. Le nombre donde est un terme positif, or les bornes de la TF doivent tre - et +. On prolonge donc la fonction B pour les valeurs ngatives de sorte quelle soit paire, ainsi le terme imaginaire de la TF est nul. Fonctionnement:Lchantillon est plac dans une cuve hermtique contenant de lazote (des p

23、urges sont faites rgulirement car il y a quand mme quelques infiltrations dair extrieur dans la cuve).Le faisceau rsultant (aprs Michelson) est transmis un dtecteur.Linterfrogramme est recueilli par un spectromtre, trait par le calcul de transformation de Fourier et converti pour donner le spectre e

24、ntier de lchantillon. Le spectromtre est reli via une carte dacquisition de donnes un ordinateur disposant dun logiciel pour lacquisition et lanalyse des donnes. II. Rsultats1. Spectres en fonction du nombre dondes:La Transforme de Fourier retourne directement le spectre dabsorption en fonction du n

25、ombre dondes.On trace les chelles en nergie et en frquence:E (eV) = (hc / e) . = c.III. Interprtations1. Remarques prliminairesNous observons bien quatre pics dabsorption pour les groupes OH de la kaolinite. Ils correspondent leurs modes propres de vibration collective.Le mouvement de vibration gnra

26、l des OH est une combinaison linaire de ces quatre modes propres. Les modes propres ont une chacun une contribution diffrente dans le mouvement gnral. La contribution dun mode est caractrise par le taux dabsorption du pic correspondant: plus le taux dabsorption dun pic est lev, plus le poids du mode

27、 propre correspondant dans le mouvement de vibration gnral des groupes OH est important.Nous appellerons les modes propres, pris vers les nergies croissantes, respectivement: mode propre 1, mode propre 2, mode propre 3 et mode propre 4.Les nombres donde, nergies et frquences mesurs pour chaque mode

28、propre correspondent une vibration collective de groupes OH, sauf pour le mode propre 1 qui correspond au mouvement dun seul groupe OH au cur de la maille.A laide des reprsentation des vibrations des OH mis en jeu dans chaque mode propre de larticle, on peut tenter dexpliquer les diffrences dnergies

29、 entre les modes. En effet mode 1, qui imlpique le groupe OH au cur de la maille, est moins nergtique que les autres modes, car il est entour dO a de plus fortes chances que les autres OH dtablir une liaison hydrogne entre son H et un O. Le mode 4 est un mouvement en phase de 3 groupes OH et est don

30、c plus nergtique que les modes 2 et 3 dont les Mouvements des OH sont en opposition de phase. En sappuyant sur le modle de loscillateur harmonique, nous pouvons calculer les constantes de raideurs correspondant chaque mode de vibration propre.On a: 2 = (k/m) o m est la masse rduite, ici nous prenons la masse de lhydrogne.Pour les kaolinites passes au four nous obtenons les constantes de raideurs suivantes:Mode propreKaolinite blancheKaolinite brune1k = 768,2 N.m-1k = 777,5 N.m-12k = 782,3 N.m-1k = 792,2 N.m-13k = 798,7 N.m-1k = 799,1 N.m-14k = 810,1 N.m-1k = 810,9 N.m-