Techniques instrumentales d’analyse chimique L’ESSENTIEL DE BTS, Licence, BUT T
Techniques instrumentales d’analyse chimique L’ESSENTIEL DE BTS, Licence, BUT Techniques instrumentales d’analyse chimique L’ESSENTIEL DE Annick Rouessac Maître de conférences honoraire à l’IUT du Mans Francis Rouessac Professeur honoraire à l’IUT du Mans © Dunod, 2011, 2021 11, rue Paul Bert 92240 Malakoff www.dunod.com ISBN 978-2-10-082588-2 Direction artistique : Nicolas Wiel Illustrations de couverture : New Africa © Shutterstock V Table des matières Avant-propos VI Fiche 1 Chromatographie – Généralités 1 Fiche 2 Chromatographie en phase liquide (CLHP) 10 Fiche 3 Chromatographie en phase gazeuse (CPG) 21 Fiche 4 Chromatographie d’exclusion stérique 32 Fiche 5 Chromatographie – Analyse quantitative 41 Fiche 6 Chromatographie planaire 48 Fiche 7 Chromatographie par échange d’ions 55 Fiche 8 Électrophorèse capillaire 62 Fiche 9 Spectrométrie de l’UV-Visible et du Très Proche Infrarouge 72 Fiche 10 Analyses dans l’UV-Visible – Méthodes colorimétriques 82 Fiche 11 Spectroscopie infrarouge 90 Fiche 12 Infrarouge – Applications qualitatives 96 Fiche 13 Infrarouge quantitatif 104 Fiche 14 Spectroscopie de fluorescence 111 Fiche 15 Fluorescence X 120 Fiche 16 Spectrométrie d’absorption atomique 130 Fiche 17 Spectrométrie d’émission atomique 139 Fiche 18 Photométrie de flamme 147 Fiche 19 Spectrométrie de masse – Généralités 154 Fiche 20 Spectrométrie de masse – Analyseurs 163 Fiche 21 Spectrométrie de masse – Applications 171 Fiche 22 Résonance magnétique nucléaire 177 Fiche 23 Résonance magnétique nucléaire – Applications 185 Fiche 24 Les radioisotopes en analyse 192 Fiche 25 Ionométrie 201 Fiche 26 Analyseurs spécifiques 208 Quelques constantes physico-chimiques 216 Index 217 VI Avant-propos Ce manuel a pour objectif de présenter un ensemble de connaissances de base sur les méthodes les plus souvent rencontrées en analyse chimique, qualita- tive, quantitative et structurale, dans des secteurs aussi variés que constituent les industries chimiques, pharmaceutiques, agroalimentaires, ainsi que pour répondre à des questions touchant à l’environnement ou aux réglementations diverses. Pour en faire une sorte de panorama représentatif, à défaut d’être exhaustif, les auteurs ont développé 26 fiches indépendantes d’une dizaine de pages chacune, correspondant à une méthode importante de l’analyse chimique. Chaque fiche associe, après quelques lignes sur l’objectif de la technique décrite, un résumé des points essentiels agrémenté de figures, d’exemples et d’exercices d’application, suivis de leurs corrections détaillées. Cet ouvrage s’adresse à un large éventail d’étudiants qu’ils soient engagés dans des licences de Sciences ou Professionnelles ou de Santé ainsi qu’à ceux des Classes Préparatoires ou des IUT (Départements chimie, mesures physiques, biologie appliquée…) ou bien encore dans des formations de BTS. Ce livre sera également utile aux participants de cycles de formation continue, aux formations du CNAM et aux agents de maîtrise de l’industrie, confrontés aux problèmes d’analyse dans des secteurs qui en étaient restés à l’écart et qui souhaitent une mise à niveau de leurs connaissances. Ce livre constitue un complément de l’ouvrage des auteurs sur l’Analyse chimique, Méthodes et techniques instrumentales, publié chez le même éditeur. Annick Rouessac Francis Rouessac Le Mans, avril 2021 1 Fiche 1 Chromatographie – Généralités La chromatographie désigne une méthode physico-chimique séparative très utilisée en analyse chimique pour identifier et quantifier des espèces molé- culaires ou ioniques présentes, même à l’état de traces, dans toutes sortes d’échantillons. Le principe repose sur les différences d’affinité des composés du mélange quand ils sont mis en présence de deux phases non miscibles. L’une est immobile (dite phase stationnaire) alors que la seconde, dite phase mobile, se déplace au contact de la première, entraînant les composés du mélange analysé et provoquant leur séparation si les vitesses sont différentes. Ce procédé hydrodynamique en perpétuel perfectionnement a reçu de très nombreuses applications. 1. Principe de la séparation Le principe de la chromatographie consiste à entraîner l’échantillon à l’aide d’un éluant (gazeux ou liquide) appelé ici phase mobile (PM), qui se déplace au contact d’une seconde phase fixée sur un support (colonne ou surface plane). Celle-ci, dite stationnaire (PS), est insoluble dans la première. Si les différents composés de l’échantillon (les solutés) présentent des affinités différentes pour le couple PM/PS, ils vont être plus ou moins ralentis dans leur progression par la phase stationnaire. Sous l’effet antagoniste des forces de rétention soluté/ PS et des forces d’entraînement soluté/PM, ces composés vont pouvoir être recueillis séparément à l’issue de cette migration (chacun en solution dans la PM utilisée). Chaque composé est caractérisé par son coefficient de distribution de Nernst K (appelé également coefficient de partition) défini comme suit : = = K C C concentration du soluté dans la phase stationnaire concentration du soluté dans la phase mobile S M Ce paramètre quantifie le rapport de concentration de chaque composé entre les deux phases en présence. Plus sa valeur est élevée, plus le soluté est retenu. K dépend de la température et de trois forces d’interaction : PS/soluté, PM/soluté et PM/PS. Fiche 1 2 Chromatographie – Généralités 2. Le chromatogramme Tous les instruments, appelés chromatographes, comportent une colonne renfermant la phase stationnaire ainsi qu’un détecteur situé en aval pour repérer les changements de composition de la phase mobile au cours de son élution. À chaque séparation correspond un enregistrement appelé chromatogramme. Le passage de chaque composé au niveau du détecteur se traduit par un pic sur cet enregistrement. Sur la figure 1.1, la courbe de gauche correspond à une image isochrone de la concentration d’un composé en cours de migration sur la colonne et la courbe de droite au chromatogramme correspondant, lorsque le composé a traversé la colonne puis le détecteur. Cette courbe est tracée en fonction du temps (tR représente le temps de rétention du composé). chromatogramme éluant détecteur signal tR 0 0 temps t conc. ds colonne L l Figure 1.1 Les chromatographes actuels permettent de contrôler de manière très précise tous les paramètres pouvant influer sur la migration (température, débits, composition des phases mobile et stationnaire). On atteint ainsi une parfaite reproductibilité des temps de migration pour un soluté donné au cours d’ana- lyses successives même s’il est présent dans des échantillons différents. De ce fait, la chromatographie est devenue en soi une méthode d’analyse en se basant uniquement sur la mesure des temps de migration des composés pour les identifier. Méthode L’identification d’un composé se fait par comparaison de son temps de rétention avec celui d’un composé authentique étudié dans les mêmes conditions. Cette méthode comporte néanmoins une part aléatoire, l’identification à partir du seul chromatogramme n’étant pas absolue. Aussi, la pratique actuelle consiste à choisir un détecteur permettant de recueillir des informations complémentaires Fiche 1 3 Chromatographie – Généralités sur le composé élué. On regagne ainsi, outre le temps de rétention, des infor- mations indépendantes (données spectrales caractéristiques par exemple) qui vont permettre de déterminer avec certitude la nature et la composition de mélanges complexes, à partir de quantités qui, souvent, ne dépassent pas quelques nanogrammes (analyses de confirmation). 3. Pics d’élution parfaits Un pic d’élution idéal a le même aspect que la représentation graphique de la courbe de Gauss. En chromatographie, δ désigne la largeur à mi-hauteur (δ = 2,35 σ) et σ2 la variance du pic. La largeur dite « à la base » du pic, ω, est mesurée à 13,5 % de la hauteur, point où, la courbe étant gaussienne, on a ω = 4σ par définition (figure 1.2). L’aire ainsi délimitée correspond à 95,4 % de l’aire du pic. -2 1 +2 0,399 0,242 0,199 0,054 δ ω σ I I 100% 60,6% 50% 13,5% x O δ σ = 2,35 ω = 4 σ ω δ = 1,7 Figure 1.2 Exercice 1 Le pic Gaussien La fonction « densité de probabilité » = π ⋅ − y x 1 2 exp 2 2 permet de modéliser un pic d’élution parfait ; retrouver les valeurs numériques reportées sur la figure 1.2. Solution Si x = 0, on trouve y = 0,399. σ est calculé à l’ordonnée du point d’inflexion. Pour x = + ou – 1, π = ⋅ − y 1 2 exp 1 2 = 0,242. Pour x = 2, on trouvera y = 0,054. Fiche 1 4 Chromatographie – Généralités δ, largeur du pic à mi-hauteur, correspond donc à y = 0,1995. On doit donc trouver x dans l’expression = × − x 0 1995 0,399 exp 2 2 , ce qui donne x = 1,177. Par suite , , δ = × ≅ 2 1777 2 35 4. Les principaux paramètres Pour définir chaque composé et comparer les performances des colonnes ou des séparations, on utilise divers paramètres en plus des temps de rétention tR : – efficacité N : correspond au nombre de plateaux théoriques de la colonne en rappel du modèle de la théorie des plateaux. Il s’agit d’un paramètre relatif qui dépend du composé et des conditions opératoires = ω = δ N t t 16 5,54 R R 2 2 2 2 ; – la hauteur équivalente à un plateau théorique H (ou HEPT) : pour une colonne de longueur L, elle vaut = H L N / ; – uploads/Management/ techniques-d-x27-analyse.pdf
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- Publié le Aoû 15, 2021
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