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Cours de Chimie Analytique Jean-Luc Vialle 2009-2010.

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1 Cours de Chimie Analytique Jean-Luc Vialle

2 Objectifs Maitriser les techniques utilisées dans les domaines: - De lagroalimentaire (lipides, glucides, protides) - Connexes à la production (environnement, culture, élevage) Approfondir quelques techniques majeures et discriminatives

3 Sommaire Panorama des techniques La Quantification et lEchantillonnage La Chromatographie LHPLC et La CPG L Absorption Atomique et L Absorption Moléculaire

4 Déroulement - Contrôle 5 Interventions: Cours 1,5 TD + 0,5 TD Projet 1 Projet (TP) 1 contrôle Claroline: Chimie Analytique – Documents (cours + Power-Point) – Forum (Questions)

5 Chapitre N°1 Panorama des techniques analytiques

6 Sommaire Introduction Les environnements Recherche, R&D, Production Contraintes des analyses Personnel, Matériel, Normatives, Economiques Classifications des techniques Propriétés, Etat, Seuil, Cibles

7 I°) Introduction Objectifs:Adéquation entre unproduit et un cahier des charges et/ou une législation. Moyens:Quantifications +/- précises de différents paramètres Paramètres:Sensoriels, Physiques, Chimiques µ biologiques liés à la matrice, à la molécule

8 Représentativité: Analyse, Echantillonage, Extraction, Conservation. Adaptation de la méthode au résultat attendu Ciblage des paramètres en fonction des objectifs et de lenvironnement - Recherche - Recherche et Développement - Production

9 11 Lenvironnement Recherche Objectifs:Structurale / Evolution Mots Clefs:Liés au produit Nature, Origine, Matrice, Etat, Pureté Moyens:Techniques Lourdes disponibles en Centre de Recherche ou en externalisation Obligations de moyens: Pas / peu de contraintes économiques et temporelle

10 12 Lenvironnement R&D Objectifs:Quantification2 phases: a)Centrée sur le produit + Niveau de détection b)Transposition en production : Contraintes normatives Moyens plus softs Techniques globales / discriminatives

11 13 Lenvironnement Production 3 mots clefs:Simplicité - Durée - Coût Nouvelles contraintes:Obligations - Références - Externalisation - Qualification Techniques mises en œuvre : Liées à la valeur ajoutée du produit: Faible Globale Elevée Discriminative

12 II°) Contraintes des analyses Liées au personnel Liées au matériel Liées aux méthodes Liées à laspect économique et à laspect délai

13 21 Personnel compétent Production : Faibles compétences Analyses simples (globales) Automatisation Laboratoire danalyse: Niveau de compétence + élevé Analyses discriminatives Automatisation Laboratoire de recherche: Niveau de compétence très élevé Interprétation des analyses

14 22 Contraintes matérielles Coût dinvestissement: - Routine (Production) : Euros - Analyse discriminative: Euros par ligne danalyse - Analyse structurale: Quelques centaines de milliers dEuros par technique. Coût de fonctionnement et de maintenance

15 23 Contraintes Normatives et Légales Normes ISO, Afnor, Din, Asae… font références et sont incontournables si obligations légales Méthodes officielles:AOAC pallient labsence de normes Méthodes interprofessionnelles Ex:Test de sédimentation de Zélény,saccharimétrique dans lindustrie sucrière, MS chez la pomme de terre. Méthodes internes (propres à lentreprise)

16 24 Contraintes économiques et temporelles Liées à laspect légal ou marketting de lanalyse. Liées à limpact sur la production (Immobilisation) Internalisation / Externalisation de lanalyse Impact sur le délai et sur le coût Liées au volume dactivité de lentreprise et à la valeur ajoutée de la production

17 C < 15 Euros, D < 3 jours MS, pH, Gravimétrie, Brix, tests simples 15 < C < 50 Euros, D < 3 jours Titrimétrie, Complexiométrie, AA, Absorption moléculaire 100 > C > 50 Euros,D < 3 jours Techniques chromatographiques internalisées, simples C > 100 Euros, D > 1 semaine Analyse thermiques, structurales, analyses chromatographiques externalisées

18 III°) Classifications des techniques Selon les propriétés du soluté (matrice). Selon le caractère destructif. Selon létat de la matière. Selon le seuil de détection Selon le caractère discriminant de lanalyse Selon la cible visée dans la molécule

19 Propriétés du soluté (matrice) Chimiques et µbiologiques - Physiques - Mécaniques - Thermiques - Optiques - Electriques - Magnétiques - Physico chimiques - Energétiques - Fragmentation Caractère destructif / non destructif MEB, RX, RMN du solide, Near FTIR Etat de la matière: S, L G Seuil de détection: – 0,1% (1000 ppm) Titrimétrie - Thermiques - IR - RMN - Gravimétrie -1 ppm: AA, AM, Chromatographie… Global / Discriminant: Titrimétrie / Séparatives

20 Classification selon la cible Molécule = atomes et ou de groupes fonctionnels liés entres eux par des électrons. Atome = noyau + électrons Propriétés physiques, chimiques +/- spécifiques et des Propriétés physico- chimiques spécifiques Techniques Séparatives

21 Possibilité de la casser par apport dénergie mécanique (chimique) analyse élémentaire, Spectrométrie de masse. Possibilité de modification de la molécule par apport dénergie sous forme thermique ATD, ATG, DSC, Fusion… Possibilté daction sur les molécules et ses atomes constitutifs par apport dénergie sous forme lumineuseE = h = hc / En fonction de lénergie apportée, on agit sur des cibles différentes: SAA, IR, Absorption moléculaire

22 µ onde et ondes radio nm Modification de la matrice Infra-Rougede 2500 à 1000 nm Vibration des atomes constitutifs des liaisons Visiblede 800 à 400 nm Excitation des electrons constitutifs des liaisons (les plus mobiles).Excitation des electrons atomiques UVde 350 à 200 nm Excitation des électrons constitutifs des liaisons (les moins mobiles) RX et rayons < 3 nm Arrachage des electrons constitutifs

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28 Chapitre N° 2 La quantification

29 Sommaire Introduction Les calculs dincertitudes Les méthodes Absolues Methodes directes Dosages chimiques Les méthodes comparatives Etalonnage interne et externe Les ajouts dosés Conclusion

30 I°) Introduction Analyse = Quantification Structurale = Identification Rappels sur les incertitudes Incertitudes absolues n x Incertitudes relatives x /x

31 II°) Les méthodes absolues Mesure de paramètre physiques Exemple Taux de cendres NF V Méthodes basées sur lapplication dune loi simple Exemple ; Lamidon (3ème directive du JO du 23/ ) Méthodes basées sur des réactions chimiques

32 Acido-basique Rédox Complexiométrie - Précipitation Conservation du nombre déquivalents échangés Méthodes à point final Méthode directe: (NF T ) Méthode en retour (NF V )

33 III°) Méthodes comparatives Etalonnage externe Etalonnage interne Méthode des ajouts dosés

34 31 Etalonnage externe Pas de dépendance dun facteur extérieur Application au dosage du phosphore soluble dans les terres (NF X ) – Etalonnage – Exploitation des résultats – Avantages et inconvénients

35 32 Méthode de létalonnage interne Domaine dutilisation Principes Application à lanalyse des FAME (NF T ) Avantages et inconvénients Choix de létalon interne

36 33 Méthode des ajouts dosés Analyse de traces Application en absorption atomique Application en chromatographie Avantages et inconvénients

37 Chapitre N° 3 Introduction à la Chromatographie

38 Sommaire Introduction Aspect thermodynamique Aspect cinétique Facteurs liés à la chromatographie

39 I°) Introduction Technique séparative Dualité Analytique / Préparative Lié à la valeur ajoutée Les différents états de la matière solide – liquide – gaz – critique Classification des techniques séparatives - Suivant les forces mises en jeu - Suivant létat de la matière

40 Forces Gravitationnnelles Décantation Centrifugation Electriques Electrolyse Electrophorèse Thermiques Diffusion thermique Magnétiques Spectrométrie De Masse Barrières Semi-perméables Filtration µ, nano filtration Diffusion Gazeuse Osmose Dialyse Physico-chimiques ExtractionChromatographie

41 Nature des phases Gaz - Gaz Diffusion Chromatographie Gaz - Liquide Distillation Chromatographie Sonification Gaz - Solide µ filtration Chromatographie Liquide - Liquide Chromatographie ExtractionDistillation Liquide - Solide Chromatographie Filtration Solide - Solide Tri Recristallisation Chromatographie

42 Un peu dhistoire… Khrômatos = CouleurGraphikos = Tracé 1903Tswett: CaCO 3 Colonne ouverte 1940Martin et Synge : Théorie de la partition 1950Snyder: Théorie de ladsorption 1950Martin et JamesCPG 1960CCM 1970HPLC et phase inverse 1975CPG Capillaire 1985HPLC en phase supercritique

43 Glossaire Soluté:Espèce à séparer / à doser Solvant:Solubilise le soluté Eluant:Phase mobile Eluat:Phase mobile (+ soluté) Phase stationnaire: Phase immobilisée dans le système chromatographique

44 Schéma dun chromatographe Réserve Eluant Système de Mobilité Injecteur Passeur GradientSéparateur Micro Proesseur Détecteur Traitement du signal Collecteur

45 Classification des techniques chromatographiques Suivant la technologie:Surface / Volume Suivant la nature des phases: Phase mobile:Liquide ou Gazeuse (Critique) Phase stationnaire:Solide ou Liquide immobilisé

46 Récapitulatif Phase Mobile Phase Stationnaire TechnologieApplicationPrincipe Gaz Liquide Volume CPG G/L Partage SolideCPG G/S Adsorption Exclusion Liquide SurfaceCCM L/L Partage Liquide VolumeHPLC L/L Partage Solide SurfaceCP L/S Adsorption Exclusion VolumeLC, HPLC L/S Adsorption Exclusion

47 II°) Aspect Thermodynamique Théorie des plateaux Un soluté P qui se distribue entre les deux phases stationnaire et mobile = EquilibreK = [P] stat / [P] mob K varie avec la force des interactions Objectif:Multiplication du nombre déquilibre : n Ecoulement discontinu ; 1 plateau = 1 équilibre y = fraction de P (stat) et x = fraction de P (mob) k = y/x = cstex + y = q o = …..p…n-2n-1n

48 Evolution du soluté P Injection n012n - 1n Stat.100 Mob.000 Equilibre n012n -1n Stat.y Mob.x

49 Transfert n012n - 1n Mob0x0 Staty00 Equilibre n012n -1n Mobxyx² staty²xy

50 Transfert n012n - 1n Mob0xyx² Staty²xy0 Equilibre n012n -1n Mobxy²2x²yx3 Staty32xy²x²y

51 Généralisation Après n transferts: Le soluté se disperse suivant une loi du type (x + y) n Facteur de capacité:k = y / x Grandeur caractéristique dun soluté dans un système chromatographique donné Q n p = f(n,p, q 0 ) Equation dune GaussienneCourbe à maximum

52 Après n transferts, la phase mobile a parcourue une distance ln et lextrémum se situe à une distance lp tel que l p / l n = 1 / (1+k) Soit en terme de vitesse v p / v n = 1 / (1+k) Soit t = CsteOn mesure lSurface Soit l = CsteOn mesure tVolume

53 Quelques grandeurs fondamentales Temps de rétention:Apparition de lextrémum Tr = T 0 (1+k) Temps de rétention nulle:Soluté non retenu T 0 RfRf = lp / l 0 Efficacité : N= Nb de plateaux théoriques HEPT:H = L / N

54 Séparation de plusieurs solutés Sélectivité = k 2 / k 1 Traduit la différence daffinité pour 1 et 2 RésolutionRsTraduit la séparation entre deux pics chromatogaphiques

55 III°) Aspect Cinétique Ecoulement Continu : Déformation des pics: Transfert de système chromatographique et Transposition:Notion de grandeurs réduites (l, h et vitesse réduite) Si l, h et la vitesse réduite sont constant,N est constant

56 Mécanismes de Dispersion Knox (HPLC)etVan Dempter (CPG) H = A + B / u + C u A = Anisotropie découlement B = Diffusion longitudinale C = Résistance aux transferts de masse U = vitesse linéaire de la phase mobile Optimisation

57 IV°) Facteurs liés à la chromatographie La température:Fondamental k est fonction de T Si T augmentek diminue La composition de la phase mobile (HPLC - CCM) Le débit de la phase mobile (u) Loi de Darcy:Perte de charge dans un écoulement à travers un tube rempli

58 Chap N°4 La CPG Sommaire Introduction Les phases stationnaires en colonne remplie Transposition colonne remplie / colonne capillaire Linjection La détection La dérivatisation

59 I°) Introduction 1ère technique développée dès 1950 Simplicité de mise en œuvre Rapidité des analyses complexes Matériel disponible et peu onéreux Nombreuses applications : NF T60-234FAME Carbowax 20 MDB 20F.I.D NF T60-237BHA et BHT DC 200CP Sil 5F.I.D

60 NF T90-120PcB et Organo-chlorés OV17 DB5ECD NF T90-121Atrazine et Simazine DB5 Thermo ionique NF T90-125COV halogénés Carbowax 1500CPSil 5ECD Nombreuses autres applications- Gaz Permanents Porapak Catharomètre - Solvants résiduels – Composés volatils - Résidus dincendies – Arômes – Huiles essentielles….

61 II°) Les phases stationnaires en colonne remplie Colonne remplie = Tube + Support + Phase Liquide Imprégnée (Solide) Tube:2 m 1/8 ème Inox Support:DiatoméesP, W, G Granulométrie mesh ( µm)Pertes de charge faibles (1-2 bars)Taux dimprégnation % Traitements: Tamisage, AW, TMCS

62 21 Les phases stationnaires Les hydrocarbures ramifiés référence : Polarité nulle Les Polysiloxanes et polysiloxanes substitués: R = CH 3, Phényl, Cyanopropyl…Polarité très faible (DB1, 100% de CH 3 ) à très forte (CP Sil 88, 100% de cyanoéthyl) Référence en capillaire

63 Les polyéthylènes glycols (carbowax 20M, FFAP..) équivalence CP Wax, DB 20 Les Polyesters: Polarités intermédiaires et fortes (DEGS, EGA….) Les AdsorbantsTenax, Carbopack, Tamis moléculaires Classification selon la polarité Equivalence entre remplie et capillaire

64 22 Les indices de Kovats Série homologue:log 10 Tr = an + b Notion de droite de similitude:- Prédiction de la rétention- Approche didentification Application à la série des n alcanes- Notion dindice de rétention

65 23 Classification suivant la polarité Constantes de Mac Reynolds – Rohrschneider – 1 phase de référence : Squalane P = 0 – 5 solutés de référence: BenzèneXn ButanolYMeCOPr Z NitropropaneUPyridineS Cste de Mac Reynods = Différence dindice de rétention du soluté entre la phase et la référence Polarité = Somme des cstes de Mac Reynolds des cinq solutés (Existence de 3+2 autres solutés références)

66 Exemples PhaseXYZUV Somme Squalane SE OV FFAP OV

67 24 Choix raisonné des phases stationnaires Classification des solutés en 5 catégories Liées à la polarité Classification des phases en 4 catégories Liées à la polarité Associations par catégories:- Apolaire – Apolaire - Polaire – Polaire - Moyennement polaire – Moyennement polaire

68 III°) Transposition Colonne Remplie / Colonne Capillaire RemplieCapillaire PhasesVariées (mais + restreint) Longueur Perte de charge 2 m 1 bar / m m 1 bar / 50 m Diamètre1/8 1/ et 0.25 mm 0.53 et 0.1 mm

69 Classification Colonnes de Golay: - COT et WCOT : Wall Coated Open Tubular - SCOT : Support Coated Open Tubular - PLOT : Porous Layer Open Tubular - Micropacked Columns Perméabilité k importante : Efficacité importante et vitesses linéaires importantes soit tr faibles B = V G /V L 2 à 10 x supérieur / remplie B= d c / 4e f et tr = t 0 (1 + K / B)

70 Si B augmente : tr diminue ; possibilité de diminuer la température B élevé: Analyses rapides : substances lourdesB faible: Substances volatiles Epaisseur du film: De lordre du micron Tr augmente en f(Log e) e x 2 = Tr (-15°) Films minces et films épais

71 Films Minces:0,15 < e < 0,5 µmAvantages: Meilleures performancesRéduction du temps danalysePossibilité danalyse de composés lourds Inconvénients:Charges + faibles : restreint la possibilité danalyse de traces- Interactions avec la surface Films Epais:e > 1 µm Avantages:Analyses de traces Analyses de volatils InconvénientsPb de Bleeding (e > 5µm) Diamètre: Wide Bore = Remplie Narrow bore: Analyses courtes : Couplage GC / MS

72 IV°) Linjection Colonne remplie:Injecteur à Septum Volume injecté: 0,5 à 1 µlGaz : 100 µl à 500 µlHead- Space (Statique et dynamique) Colonne capillaires:Charges + faiblesUtilisation de diviseurs- Split / Splitless- On column- Injecteur de verre

73 V°) La détection 2 classes de détecteurs:I : Réponse proportionnelle à la concentration Catharomètre, E.C.D II : Réponse proportionnelle au débit massique:F.I.D, N.P.D Sélectivité : Universels / Spécifiques Quantité minimale détectable : variable de (1- 10 ng) TCDà0,1 pg ECD ( pg) FID

74 Catharomètre:Pont de Wheastone(I) UniverselGaz permanents F.I.D:Combustion(II) Universel (sauf incombustibles)Notion de Make-up E.C.DCapture délectrons (I) Spécifique:Dérivés Halogénés N.P.DThermoionique(II) Spécifique:Dérivés N et P

75 VI°) La dérivatisation Objectifs:Volatilisation des espèces Amélioration des analyses (trainées de pic) Amélioraion des résolutions Méthodes: Estérification : Diazométhane, BF 3 /CH 3 OH Silylation : TMCS / HMDS obtention déthers, desters silylés volatils: Pb H 2 O

76 Chapitre N°5 La chromatographie Liquide Ladsorption Le Partage

77 Sommaire La chromatographie dadsorption Théorie de Snyder Facteurs liés à la phase stationnaire, la phase mobile et le soluté Le Greffage La chromatographie en phase inverse La chaîne chromatographique

78 I°) Introduction Le dosage de laflatoxine B1 dans les aliments pour animaux (NF V ) ExtractionLiquide / solide au CHCl 3 PurificationColonne ouverte de gel de silice ( µm) conditionnée dans CHCl 3 – Lavage à léther Désorption avec CHCl 3 / CH 3 OH (97/ 3) Chromatographie Monodimensionnelle sur silice: Phase mobile: CHCl3 / Acétone (90/10) Ether / méthanol/ eau (96/3/1) Lecture visuelle / Fluorodensitométrique

79 II°) La chromatographie dAdsorption Supports solides polaires: SiliceCaractère acide AlumineCaractère basique Utilisables en CCM, HPLC, colonne ouverte Principe:Formation de liaisons H entre le support et le soluté. (interactions)

80 Phases mobiles : peu polaires Applications analytiques: – Fonctionnalités Différentes – Isomères – Solutés peu et moyennement polaire Applications en extraction (purification) Fixation des espèces plus polaires Ordre délution: suivant lordre de polarité Faible coût – Pb de la phase mobile

81 21 Mécanismes dadsorption Adsorption / désorption en surface Equation de Snyder log k = log Va + B*(E° - As °) + log (Wa/Vm) k = facteur de capacité – Phase stationnaire:Va, Wa et Vm, B* – Phase mobile:B*, ° – Soluté:As et E°

82 Facteurs liés à la phase stationnaire Va, Wa et VmLiés à la taille des particules et au remplissage Peu dactionsInfluence la transposition Surface / volume B*Etat dactivité de ladsorbant (0

83 Facteurs liés à la phase mobile ° et B* B*liée à la teneur en eau de la phase mobile Solvant isohydriqueutilisation dacide et de base pour réduire lactivité °: Force éluanteSérie éluotropiquesi ° Augmente, alors Rf augmente (k diminue) Développement isocratique et en gradient de concentration. Utilisation de mélanges binaires et ternaires

84 Facteurs liés au soluté As et E° As: surface spécifique : Pas daction si ce nest une dérivatisation Changement de la nature du soluté et des interactions E°: même remarque

85 III°) Le greffage Adsorption Contraintes Activité du support Isohydrie de la phase mobile Limites 2 types de phase : Silice (alumine) échelle de polarité limitée problèmes de traînées de pics 1970Le greffage

86 II°) Le Greffage Modification du support siliceux par greffage chimique despèces liquides:Si-OH Si-O-Si-RR = Alkyl(C18, C8, C3, C2) Phényl Amino alkyl Nitro alkyl Diols, Cyano…. Notion de chromatographie de partage Echelle de polarité inversée / Adsorption End-Capping

87 SolutéPolaire Moyennement Polaire Moyennement Polaire Non Polaire Eluant Moyennement Polaire Très Faiblement Polaire Fortement Polaire Moyennement Polaire Exemples CH 2 Cl 2 / Hexane 80/20 CH 2 Cl 2 / Hexane 5/95 CH 3 0H / H / 60 CH 3 0H / H / 10 HPLC Partage Phase Normale NH 2, CN, Partage Phase Normale NH 2, CN, Partage Phase Inverse C18, Phényl Partage Phase Inverse C18, Phényl

88 IV°) La Phase Inverse Application : Dosage de 6 PAH (µ polluants) en phase aqueuse NFT : Fluoranthène, Benzofluoranthène b et k; Benzopyrène a; (10 ppb)Benzopérylène, Indénopyrène (50 ppb) Extraction au cyclohexane - Concentration à 1ml sous vide Purification sur colonne dalumine Concentration à sec et reprise dans 1ml de solvant: Phase stationnaire: RP 18, Lichrosorb C18L = 250 mmDiam: ¼ Phase mobile: CH 3 -CN / H 2 O (85/15 ; 90/10) Débit: 1ml mn -1 Injection 20 µl Fluorimétrie: Excitation 360 nmEmission > 420 nm

89 La phase stationnaire ApolaireLipophile = Hydrophobe Nature du greffon:CH 3 -(CH 2 ) n -CH 2 - si n augmente:La rétention augmente Nombre de greffon:Plus le taux de greffage est élevé, plus la rétention est importante Généralisation à la surface hydrocarbonée Pratique:Entre 8 et 15 % de Carbone

90 La phase mobile Base:H CH 3 OHou H CH 3 CN Attention à la perte de charge (Darcy) Utilisation éventuelle de modificateurs: THF, Acétone, CHCl 3 … Attention à la détection Influence de la teneur en eau : La rétention augmente avec la teneur en eau Elution en mode isocratique : Composition de la phase mobile constante Elution en mode gradient de concentration

91 Le soluté RétentionInverse à la polaritéPlus le soluté est polaire, plus la rétention est faible. Liée à lhydrophobie: Cste de partage dans le système octanol / eau P Rekker: log P = Somme f i + C M (somme k j ) fi = IncrémentsCM = Cste = 0,268kj = effets de proximité log k = a log P + b

92 IV°) La chaîne chromatographique LInjection Couramment : 20 µl(1 à 50 µl) Injection en boucle Etalonnage externe Vanne dinjection Six Voies AutomatisationPasseurs automatiques

93 La détection - Généralités Notion de dérive (1 heure) bruit à long terme (10 mn) bruit à court terme (1 mn) Sensibilité:Pente de la courbe: Réponse = f (Concentration initiale) Concentration minimale détectable:n fois le bruit à court terme Détection directe et différentielle

94 Les différents Détecteurs Détecteurs Simples Ultra violet Fluorimétrie Réfractométrie Diffusion de lumière Electrochimique Conductimétrique Détecteurs semi Informatifs UV multi lambda Fluorimètre programmable Multi électrodes Détecteurs intelligents Spectométrie de Masse FT IR Barrette de diodes RMN

95 Dérivatisation pré et post colonne Dérivatisation Pré Colonne Simplicité Modification des conditions chromatographiques Ex: Acides aminés (OPA) Réactions reproductibles Possibilité de réactions secondaires Dérivatisation Post Colonne Sélectif Multi détection Exemple:Vitamine C Matériel plus sophistiqué Modification du pic chromatographique

96 VI°) Les autres techniques HPLC TechniquePhase stationnaire Phase mobileSolutés Paire dions C8, C18CH 3 CN, CH 3 OH, H 2 O Espèces ionisables Echange dions Résines échangeuses Tampons aqueux Ions minéraux cations et anions Exclusion Polymères poreux THF, Tampons aqueux Polymères hydrophiles et organiques Chirale Chirale cyclodextrines, Pirkle Aqueuses et organiques Enantiomères

97 Chapitre N°6 Labsorption Moléculaire UV-Visible Et Labsorption atomique

98 Labsorption moléculaire Sommaire Introduction Détermination de lindice Phénol NF T Détermination de As 3+ NF T Détermination du Fer total et du Fe 2+ NF T Détermination du Phosphore soluble NF X Le spectrophotomètre dabsorption moléculaire

99 Introduction Absorption Atomique: Concerne les électrons atomiques (absorption et émission) Absorption et Émission Moléculaire: Concerne les électrons des liaisons moléculaires, les électrons délocalisables ( ). Mêmes concepts: Dualité Onde / Énergie E = h = h c / Spectre de la lumière Domaine UV: nm Domaine Visible: 350 – 800 nm

100 Complémentarité Absorption / Couleur Triangle des couleurs Utilisation des propriétés dabsorptions pour une quantification Nombreuses applications : Cations, Anions, Molécules Organiques Sélectivité plus ou moins importante Loi de Beer-Lambert: log 10 I 0 /I t =.l.C : Coefficient dextinction molaire. Quantification par étalonnage externe

101 Détermination de lindice phénol Eaux NF T Principe Distillation des phénols en milieu acide (H 3 PO 4 ) en présence de CuSO 4 (action bactérienne)(Entraînement à la vapeur) Enregistrement du spectre UV à 254 et 270 nm( # 6000 et 1500) cuve quartz 1cm Comparaison à un étalonnage externe Applications: 0,025 – 0,5 mg/l

102 Dosage de larsenic Corps gras NF T Principe Réduction de larsenic sous forme darsine AsH 3 par Zn en milieu HCl Absorption de larsine par le diéthyldithiocarbamate dargent: Ag(DDTC) AsH Ag(DDTC)…. 6 Ag + 3H(DDTC) + As(DDTC) 3 Formation dArgent colloïdal dispersé: Rouge – Violet Mesure de la DO à 540 nm cuve 1cm Comparaison à un étalonnage externe Application: masses de 1 à 20 µg dArsenic

103 Dosage du fer Eaux NF T Fe t = Fe dissous + Fe suspension Formation dun complexe coloré entre Fe 2+ et lortho phénanthroline (1-10) Rouge –Orangé (510nm) Fer total: Oxydation par le peroxodisulfateFe 3+ Réduction par le chlorydrate dhydroxylamine pH # 4,5Fe 2+ Complexation (15mn à lobscurité) Fer dissous: Réduction du Fe 3+ dissous Complexation Fe 2+ dissous Complexation directe Applications10 µg/l – 10mg/l

104 Le phosphore soluble Sols NF X Principe: Méthode de Joret-HébertExtraction du phosphore soluble (sous toutes ses formes) par loxalate dammonium (pH = 7) Complexation du phosphore sous forme de complexe phosphomolybdique réduit avec le réactif sulfomolybdique (heptamolybdate dammonium, Acide ascorbique, thiosulfate de sodium, formol) Développement chaud (100°C, 5mn) dune coloration violette Mesure de la DO à 825 nm Domaine dapplication: 1 – 10 mg/l de Psols: Expression du résultat en P 2 O 5

105 Le spectrophotomètre Source Monochromateur Fentes (Slit) Cuve Photomultiplicateur Amplificateur Calculateur

106 Sources et rayonnement incident Lampes à décharge (lumière blanche) Multi longueurs donde - Deutérium(Domaine UV) - Vapeur de mercure (Domaine visible) Simple et double faisceaux Sélecteur: Monochromateur Fente (Slit): Permet de réguler lénergie du rayon incident

107 Cuves Cuves: - Plastique (jetables) Attention aux solvants organiques - Verre (domaine du visible) - Quartz (domaine UV) A remplissage et à circulation (Cinétique – Passeurs automatiques) Trajets optiques: 0,1 à 5 cm fonction de la concentration et du coefficient dextinction molaire Zéro optique : Sur Blanc (0 dabsorbance)

108 Rayonnement transmis Photomultiplicateur : Comptage des photons transmis: Travail en Absorbance (A) ou en Transmitance (T) Amplificateur Calculateur:Io, It, A (T), log 10 (A), C Restitution du spectre, des concentrations… Gamme de linéarité de Beer-Lambert (Étalonnage externe)

109 Labsorption atomique Sommaire Introduction Principe de labsorption et de lémission Schéma général dun spectromètre dAA Les différentes parties du spectromètre La quantification Applications Analyse de traces

110 Introduction Analyse de cations minéraux Actuellement: Environ 60 éléments du tableau de Mendeleiev Nombreuses applications: Métallurgie, Géologie, Environnement, Agriculture, Agro alimentaire… Impératif: Mise en solution de léchantillon EauxNF T90-112FlammeEaux NF T90-119FourEaux NF T90-131Flamme FroideSolsNF X Flamme

111 Principe Atome = Noyau + électrons Électrons: Gravitent autour du noyau (Champs électrostatique): Notion dorbitales: Niveaux dénergie quantifiés État fondamental + Énergie électromagnétique:État excité (Passage de le- dun niveau fondamental à un niveau supérieur) : Instable : Retour à létat fondamental Restitution calorifique: Absorption atomique Restitution lumineuse: Émission atomique

112 E = f (h, c et longueur donde) Notion de transitions spectrales Spectres de raies spécifiques à chaque élément Possibilité de dosage spécifique par éléments (Interférences) Équation de Boltzman: N e = Cste x N 0 e -(E/kT) Emission:N e élevé Absorption:N 0 élevé Loi # Beer-LambertA = I 0 /I t Log 10 A = K.l.CK = Coef. dabsorption monochromatique

113 Schéma général dun spectromètre dAbsorption Atomique (Emission) Une source de photons: Source démission Une source datomes: Source datomisation Un monochromateur: Sélecteur de radiations Un détecteur: Photomultiplicateur + amplificateur

114 Source de photons Tube à décharge à cathode creuse – Cathode : Élément à doser (sel) – Anode: Lame de Zirconium – Tube rempli de gaz inerte (Ne, Ar) – Décharge : Tension volts – Intensité = qqes mA (suivant élément) Obtention du spectre démission de lélément à doser Lampes mono élément et multi éléments

115 Générateurs datomes Fonction de la nature des éléments à doser Flamme:Cas général Atomisation thermique:Détection plus basse Flamme froide et générateurs dhydrures: spécifique à certains éléments (Hg,As..) Torche à plasma

116 Atomisation en flamme Objectif:Transformer des espèces de la forme ionique à la forme atomique Analyse déchantillons liquides exempts de particules solides. Capillaire: Transfert de léchantillon vers la chambre de nébulisation Nébuliseur:Formation dun brouillard dans le comburant: Fines gouttelettes Brûleur:Transformation des espèces à létat atomique

117 Principales Flammes Combustible Hydrogène Comburant Argon Température 1000 K Propane Butane Air Oxygène 2200 K 3200 K Acétylène Air Oxygène Protoxyde dazote 2500 K 3400 K 3200 K

118 Autres Générateurs datomes Atomisation électrothermique: Four- Séchage (# 100°C) - Décomposition thermique (100 à1800°C) - Atomisation ( °C) - Nettoyage Four (2800°C) Générateur de mercure HgCl 2 + SnCl 2 ….Hg° + SnCl 4 Générateurs dhydruresAs, Sb… Formations dhydrures (AsH 3 ) + Flamme froide (1000°C)

119 Sélecteur de radiations et PM Monochromateur:Sélection dune longueur donde Bande passante: 0,05 à 0,1 nm si spectre complexesinon 0,5 à 2 nm Photomultiplicateur: Permet de compter les photons transmis Amplificateur + calculateur

120 La quantification Étalonnage externe (ajouts dosés) Flamme: Mesure en continu à flux constant…..Permet de minimiser les fluctuations de la flamme Pb des interférences (chimiques, spectrales…) Utilisation de modificateurs LaCl 3, HNO 3.. Réalisation de dilutions Sensibilités:Flamme # ppm Four # ppb

121 Exemples dApplications Sols, SédimentsNF X Calcination à 450°C- Solubilisation (HF,HCLO 4 )- Evaporation et mise à sec- Reprise eau régal(HCl/HNO 3 ) Dosage par absorption atomique(Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Zn)

122 Eaux : Dosage du Hg par SAA sans flamme NF T Minéralisation de léchantillon par KMnO 4 et K 2 S 2 O 8 à 95°C Réduction par SnCl 2 Obtention de Hg° Entraînement sous argon Mesure à 253,7 nmCuve à fenêtre Limite de dosage 0,5 µg/l

123 Eaux: Dosage de dix éléments métalliques (directe et indirecte) NF T90-112(Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Cd et Pb) Flammes air / acétylène - Oxydantes Fe, Ni, Cu, Mn- Réductrices Cr- Normales Co, Zn, Ar, Cd et Pb Ex du plomb:283,3 nm et/ou 217 nm Dosage direct

124 ElémentLongueur dondeDétection (ppm) Cr357,90,1-10 Mn279,50, Fe248,30, Co240,70, Ni2320, Cu324,70, Zn213,80, Ag328,10, Cd228,80, Pb2170,2 - 10

125 Dosage indirect Complexation(APDC) et extraction du complexe par la MIBC Dosage dans le phase organique Cr1-200 ppb Mn1-200 ppb Fe1-200 ppb Co1-200 ppb Ni1-200 ppb Cu1 -200ppb Zn0,5 - 50ppb Ag0,5 - 25ppb Cd0,5 - 50ppb Pb ppb


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