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Summary

A l’aide de la spectroscopie vibrationnelle, on cherche à déterminer les molécules composant la fumée de cigarette.
Pour ce faire, la fumée de cigarette sera étudiée par spectroscopie IR à l’aide d’un spectromètre à transformée de Fourier....

Description

ANALYSE DE LA FUMÉE DE CIGARETTE PAR SPECTROSCOPIE VIBRATIONNELLE INFRAROUGE Lucas FORTIER, Térence VAN GYSEL, Aurélien URBES 12 décembre 2018

Table des matières 1 Introduction

1

2 Étude du spectre de l’air

1

3 Étude du spectre de la fumée de cigarette 3.1 Étude du spectre de la fumée de cigarette à différentes résolutions . . . . . . . . . . . . 3.2 Analyse de la fumée de cigarette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Superposition des spectres de la fumée de cigarette et de CO . . . . . . . . . . 3.2.2 Superposition des spectres de la fumée de cigarette et de CO2 . . . . . . . . . . 3.2.3 Superposition des spectres de la fumée de cigarette et de CH4 . . . . . . . . . . 3.2.4 Superposition des spectres de la fumée de cigarette et de MeOH . . . . . . . . . 3.2.5 Superposition des spectres de la fumée de cigarette et de C2 H4 . . . . . . . . . 3.2.6 Superposition des spectres de la fumée de cigarette et de l’isopropène . . . . . . 3.2.7 Présence de NO, NO2 , et HCN dans la fumée de cigarette . . . . . . . . . . . .

2 2 3 4 4 5 6 6 7 7

4 Analyse de l’élongation C=O

7

5 Résonance de Fermi

11

6 Conclusion : Toxicités relatives de la cigarette / cigarette électronique

13

1

Introduction

A l’aide de la spectroscopie vibrationnelle, on cherche à déterminer les molécules composant la fumée de cigarette. Pour ce faire, la fumée de cigarette sera étudiée par spectroscopie IR à l’aide d’un spectromètre à transformée de Fourier.

2

Étude du spectre de l’air

On réalise le spectre IR de l’air, afin d’utiliser ce dernier comme "blanc" (référence) lors de l’étude de la fumée de cigarette suivante (le spectre de l’air sera ainsi soustrait aux autres spectres lors de nos 1

études suivantes).

Spectres IR de l’air (différentes résolutions)

Élongation O-H

Résolution : 4 cm-1 Élongation C=O

Vibration de déformation (variation de l’angle HOH)

Déformation C=O

Résolution : 0.5 cm-1

Ces spectres ont été effectués à différentes résolutions (4 cm−1 ) pour le bleu, et 0.5 cm−1 pour le rouge). Compte-tenu des différences entre ces derniers (par exemple, l’élongation O-H est bien plus visible dans le 2nd spectre), on choisira une résolution de 0.5 cm−1 afin d’analyser plus finement la fumée de cigarette, ceci nous permettant de distinguer les bandes rotationnelles et vibrationnelles. Une augmentation de la longueur de la cellule entraînerait une hausse de probabilité de rencontre entre les molécules présentes dans la cellule et la source lumineuse, induisant des raies d’intensité supérieures, effet similaire à une hausse de la concentration au sein de la cellule. On observe sur ce spectre que la ligne de base n’est pas rectiligne. Ceci est dû au fait que la source lumineuse incidente est une lumière polychromatique (gaussienne de longueurs d’ondes contrairement au RAMAN, utilisant des lasers), centrée sur certaines longueurs d’ondes que l’on cherche à observer (ceci expliquant la baisse d’intensité autour des nombres d’ondes 1200-2000 cm−1 ). Le détecteur étant calibré sur ces longueurs d’onde, la réponse de ce dernier s’en trouve altérée. Remarque : Bien qu’étant les composants prépondérants de l’air, N2 et O2 n’apparaissent pas dans ce spectre. En effet, les molécules diatomiques homonucléaires ne présentent pas de variation de moment dipolaire. On n’observe donc que les spectres de CO2 (sauf la raie correspondant à l’élongation symétrique de C=O, ne présentant aucune variation du moment dipolaire) et H2 O.

3 3.1

Étude du spectre de la fumée de cigarette Étude du spectre de la fumée de cigarette à différentes résolutions

On réalise le spectre IR de la fumée de cigarette :

2

Superposition des spectres de lafumée de cigarette à différentes résolutions

On choisira pour la suite de l’étude une résolution de 0.5 cm−1 , afin de pouvoir observer les bandes à 2100-2200 cm−1 (élongation C=O), 3600-3700 (résonance de Fermi), et 700 cm−1 (déformation C=O).

3.2

Analyse de la fumée de cigarette

Différents spectres de molécules ont été superposés avec le spectre de la fumée de cigarette. On déduit de cette superposition la présence ou non de ces dernières dans la fumée de cigarette.

3

3.2.1

Superposition des spectres de la fumée de cigarette et de CO Superposition des spectres de la fumée de cigarette et de CO

La présence de CO est indéniable. On observe une correspondance des raies entre 2000-2250 cm−1 .

3.2.2

Superposition des spectres de la fumée de cigarette et de CO2

Superposition des spectres de la fumée de cigarette et de CO2

4

La présence de CO2 est indéniable. On observe une correspondance des raies entre 2300-2400 cm−1 . 3.2.3

Superposition des spectres de la fumée de cigarette et de CH4

Superpositions des spectres de la fumée de cigarette et du méthane

La présence de CO2 est indéniable. On observe une correspondance des raies entre 2850-3200 cm−1 . En effectuant un zoom sur la partie encadrée en jaune, on s’assure de cette correspondance :

Superpositions des spectres de la fumée de cigarette et du méthane (zoom)

5

3.2.4

Superposition des spectres de la fumée de cigarette et de MeOH

Superposition de spectres de la fumée de cigarette et du méthanol

La présence de CO2 est indéniable. On observe une correspondance de la raie la plus intense à 1030 cm−1 . 3.2.5

Superposition des spectres de la fumée de cigarette et de C2 H4

Superposition des spectres de la fumée de cigarette et de l’éthène.

6

La présence de C2 H4 est indéniable. On observe une correspondance des raies entre 880-1100 cm−1 . 3.2.6

Superposition des spectres de la fumée de cigarette et de l’isopropène Superposition e spectres de l’air et de l’osiprène

La présence d’isoprene est indéniable. On observe une correspondance des raies entre 850-930 cm−1 . 3.2.7

Présence de NO, NO2 , et HCN dans la fumée de cigarette

N’ayant aucune référence exploitable dans notre logiciel, nous avons utilisé une publication référençant les absorptions relatives de NO, NO2 (1905 cm−1 et 1628 cm−1 , pics présents dans le spectre de la fumée de cigarette, impliquant ainsi leur présence. Bien que notre étude ne puisse pas démontrer la présence d’HCN dans la cigarette, de nombreuses études en attestent.

4

Analyse de l’élongation C=O

En utilisant une résolution de O.5 cm−1 , on peut observer la structure fine de l’élongation C=O :

7

Bandes R

Bandes P

Branche Q

On observe ici les transitions rotationnelles de la liaison C=O, composée des branches R (J’ = J+1), P (J’ = J-1) et Q.

8

J 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

R(J) 2147,09 2150,85 2154,59 2158,3 2161,96 2165,59 2169,19 2172,76 2176,28 2179,77 2183,22 2186,64 2190,01 2193,36 2196,36 2199,92 2203,16 2206,35 2209,51 2212,62 2215,7 2218,74 2221,74 2224,71 2227,64 2231,53

P(J) / 2139,42 2135,54 2131,63 2127,68 2123,7 2119,68 2115,63 2111,54 2107,42 2103,26 2099,8 2094,86 2090,6 2086,32 2082 2077,64 2073,27 2068,85 2064,41 2059,92 2055,4 2050,85 2046,26 2041,66 /

R(J)-P(J) / 11,43 19,05 26,67 34,28 41,89 49,51 57,13 64,74 72,35 79,96 86,84 95,15 102,76 110,04 117,92 125,52 133,08 140,66 148,21 155,78 163,34 170,89 178,45 185,98 /

R(J-1)-P(J+1) / 11,55 19,22 26,91 34,6 42,28 49,96 57,65 65,34 73,02 79,97 88,36 96,04 103,69 111,36 118,72 126,65 134,31 141,94 149,59 157,22 164,85 172,48 180,08 / /

2J+1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51

En traçant les droites R(J) − P (J) = 2 · B1 (2J + 1) et R(J − 1) − P (J + 1) = 2 · B0 (2J + 1), on obtient les valeurs de B1 et B0 .

9

R(J)-P(J)

Représentation de R(J)-P(J) = f(2J+1)

200

180 En effectuant une régression linéaire, on obtient :

160 y = 3.796 x + 0.1265 r2 = 1

140

120 100

80 60

40 20 2J+1

0 0

5

10

R(J-1)-P(J+1)

15

20

25

30

35

40

45

50

35

40

45

50

Représentation de R(J-1)-P(J+1) = f(2J+1)

200

180 En effectuant une régression linéaire, on obtient :

160

y = 3.832 x + 0.1078 r2 = 1

140 120

100 80

60

40 20 2J+1

0 0

5

10

15

20

25

30

Graphiquement, on obtient : B1 = 1.8979 cm−1

; 10

B0 = 1.9159 cm−1

On peut donc en déduire Iv , moment d’intertie et rv , distance inter-nucléaire de la molécule : s Bv · 8 · π 2 · c Iv Iv = et rv = ν h I1 = 1.47 · 10−46 kg.m−2 ; I0 = 1.46 · 10−46 kg.m−2 ! 1 Sachant que Bv = Be − αe v , on obtient un système de deux équations à deux inconnues, nous 2 permettant de déterminer les valeurs de Be et αe :

B1 = Be − αe B0 = Be − αe

! 1 1+ 2 ! 1 0+ 2

On peut donc déterminer Ie et re :

     

⇐⇒ Be = 1.9249 cm−1

Ie = 1.45 · 10−46 kg.m−2

5

αe = 0.018

     ;

re = 1.129 · 10−10 m

Résonance de Fermi

Le phénomène de résonance de Fermi s’observe lorsque deux vibrations ou plus, de même symétrie, ont des fréquences (énergies) proches. Sur le plan spectral, le couplage de deux vibrations se traduit par une perturbation des fréquences des deux bandes, ainsi que des intensités. Ce phénomène apparaît dans le spectre de la fumée de cigarette, aux alentours de 3580-3700 cm−1 :

Résonnance de Fermi

Q1 = 3715 cm-1

Q2 = 3715 cm-1

+W

-W

11

Différents modes de vibrations pour le CO2 ont été mis en évidence :

Élongation symétrique : 1388 cm-1 (ici non visible en spectroscopie IR)

Élongation asymétrique : 2340 cm-1

+

-

+ Déformation : 2340 cm-1

Différentes combinaisons de vibrations sont possibles pour réaliser une telle résonance de Fermi. pour simplifier, on va considérer une combinaison linéaire simple de vibrations pouvant être à l’origine de cette dernière :  νsymetrique + νasymetrique = 3728 cm−1 νasymetrique + 2 · νdef ormation = 3640 cm−1 La résonance de Fermi repose sur le couplage suivant : Q1

W 3728

3640 -W

Q2

Ici, on a W = 50 cm−1 . La résonance de Fermi aboutit donc à la formation de deux pics d’intensité proche, alors que ces derniers devraient être différents en intensité :

12

Exemple idéalisé de résonnance de Fermi :

2 h ν’ hν

h (ν+x) h ν’

13

2 h(ν-x)’

6

Conclusion : Toxicités relatives de la cigarette / cigarette électronique

L’étude de la fumée de cigarette par spectroscopie IR nous a permis de mettre en évidence la présence de molécules dangereuses pour la santé des consommateurs. Bien que les quantités absorbées par les fumeurs soient minimes, cumulées elles deviennent toxiques. Tableau récapitulatif des substances présentes dans la fumée de cigarette : CO

CO2

NO2

NO

CH4

C2H4

MeOH

C5H8

HCN

La cigarette électronique n’utilisant pas de réaction de combustion, on vaporise du propylène glycol, mélangé à du glycérol, auquel est ajouté préalablement des arômes, ainsi que de la nicotine. A priori, ces molécules ne présentent pas d’effet néfaste sur la santé, bien que l’utilisation de la cigarette électronique soit extrêmement controversée, et sujette à de nombreuses études. Pour l’instant, la cigarette électronique semble être une bonne alternative à la cigarette classique, il s’agit cependant d’utiliser cette dernière comme méthode de sevrage progressif, plutôt que de l’utiliser comme moyen pour fumer de façon récréative.

14...