Techniques Instrumentales d'Analyse Chimique PDF

TECHNIQUES INSTRUMENTALES D’ANALYSE CHIMIQUE L. EL GAINI Partie 1: Techniques spectroscopiques Partie 2: Techniques chromatographiques Partie 3: Spectroscopie de Masse et Techniques Couplées Partie 1: Techniques spectroscopiques ▪ Introduction à la spectroscopie ▪ Spectrométrie d’absor...

TECHNIQUES INSTRUMENTALES D’ANALYSE CHIMIQUE L. EL GAINI Partie 1: Techniques spectroscopiques Partie 2: Techniques chromatographiques Partie 3: Spectroscopie de Masse et Techniques Couplées Partie 1: Techniques spectroscopiques ▪ Introduction à la spectroscopie ▪ Spectrométrie d’absorption de l’ultraviolet et du visible (UV-Visible) ▪ Spectrométrie infrarouge (IR) ▪ Spectrométrie de fluorescence (Fluorimétrie ou spectrofluorimétrie) ▪ Spectrométrie de fluorescence des rayons X (FX) ▪ Diffraction des rayons X (DRX) ▪ Spectrométrie d'Absorption Atomique (AA) ▪ Spectrométrie d’émission atomique à plasma à couplage inductif (ICP) Partie 2: Techniques chromatographiques ▪ Introduction à la chromatographie ▪ Chromatographie en phase gazeuse (CPG) ▪ Chromatographie en phase liquide (HPLC) ▪ Chromatographie d’échange d’ions ou chromatographie ionique (CI) Partie 3: Spectroscopie de Masse et Techniques Couplées ▪ Introduction à la Spectroscopie de Masse ▪ CPG/MS et CPG/MS/MS ▪ HPLC/MS et HPLC/MS/MS ▪ ICP/MS Partie 1: Techniques spectroscopiques Partie 1: Techniques spectroscopiques ▪ Introduction à la spectroscopie ▪ Spectrométrie d’absorption de l’ultraviolet et du visible (UV-Visible) ▪ Spectrométrie infrarouge (IR) ▪ Spectrométrie de fluorescence (Fluorimétrie ou spectrofluorimétrie) ▪ Spectrométrie de fluorescence des rayons X (FX) ▪ Diffraction des rayons X (DRX) ▪ Spectrométrie d'Absorption Atomique (AA) ▪ Spectrométrie d’émission atomique à plasma à couplage inductif (ICP)  1- Définition La spectroscopie est une technique d'analyse qui étudie les interactions entre la matière et la lumière. Introduction à la spectroscopie  2- La lumière  Nature ondulatoire de la lumière La lumière a d’abord été considérée comme une onde électromagnétique (OEM) La propagation de ces ondes s’effectue à une vitesse qui dépend du milieu considéré. Dans le vide, la vitesse de propagation est égale à c = 3.108 m.s-1 Introduction à la spectroscopie  2- La lumière  Nature ondulatoire de la lumière Périodicité spatiale : longueur d’onde  en mètre nombre d’onde =1/ donné en cm-1 =c/ =c Périodicité temporelle : période T (s) c = 3.108 m.s-1 fréquence en Hertz (Hz) =1/T Introduction à la spectroscopie  2- La lumière  Nature corpusculaire de la lumière La nature ondulatoire de la lumière ne permet pas à elle seule d’interpréter les phénomènes d’interaction entre lumière et matière. En 1905, Einstein propose sa théorie de quanta Énergie du photon : E = h ν : la fréquence de l’onde La lumière est constituée de h : la constante de Planck (h= 6.626 10-34 J.s) grains d’énergie: les photons Introduction à la spectroscopie  2- La lumière  Le spectre électromagnétique L’OEM est caractérisée par sa longueur d’onde, sa fréquence et son énergie. Plus la longueur d’onde est faible plus l’onde contient d’énergie, elle peut même être dangereuse. En effet une partie des ondes UV, les Rayons X et Rayons gamma (très énergétiques) sont appelé ondes ionisantes qui peuvent arracher des électrons aux atomes ce qui peut endommagé l’ADN des êtres vivants. Introduction à la spectroscopie  2- La lumière  Le spectre électromagnétique La partie visible du SEM est sous forme de lumière blanche. Introduction à la spectroscopie  3- La matière: niveaux d’énergie des atomes et des molécules  Rappel- Spectre atomique En 1885, Balmer obtient le spectre d’émission de l’hydrogène E = h Indigo Les niveaux d’énergie des Les Raies de Balmer sont atomes et des observées dans le domaine molécules sont du spectre visible quantifiés Introduction à la spectroscopie  3- La matière: niveaux d’énergie des atomes et des molécules  Dualité onde - corpuscule Il faudra attendre la naissance de la mécanique quantique pour commencer à interpréter ce résultat. Louis De Broglie (1924) : propose de généraliser la dualité onde corpuscule , admise pour la lumière, à la matière Donc à chaque particule en mouvement (de quantité de mouvement p) est associée une onde de matière de longueur d'onde λ h: constante de Planck h=6 ,626×10 -34 J.s =h/p p = m.v: quantité de mouvement en kg.m.s -1 λ: longueur d'onde en m Introduction à la spectroscopie  3- La matière: niveaux d’énergie des atomes et des molécules  Fonction d’onde Abandon de la notion de trajectoire 1927: Principe d’indétermination d’Heisenberg Impossible de déterminer avec précision et simultanément la position et la vitesse d'une particule Mise en place de la fonction d’onde  - * : la densité de probabilité de présence de la particule en un point de l’espace -  *dV : la probabilité de présence de la particule dans un volume dV Introduction à la spectroscopie  3- La matière: niveaux d’énergie des atomes et des molécules  Equation d’onde Parallèlement, en 1926, Schrödinger propose sa célèbre équation : H=E Résolution Niveaux d’énergie Fonctions d’onde E  Cette équation ne pouvant être résolue que dans le cas de l’atome d’hydrogène et de l’ion moléculaire H2+, on est obligé de recourir à des solutions approchées (approximations). Introduction à la spectroscopie  3- La matière: niveaux d’énergie des atomes et des molécules  Approximations On sépare le mouvement des électrons de celui des noyaux (plus lourds) Approximation de Born-Oppenheimer E= Eélectronique + Enoyau On sépare ensuite le mouvement de rotation et de vibration des noyaux E= Eélectronique + Evibration + Erotation Introduction à la spectroscopie  3- La matière: niveaux d’énergie des atomes et des molécules  Les différents niveaux d’énergie Pour la molécule comme pour l’atome, la mécanique ondulatoire prévoit un ensemble discret (discontinu) d'états d'énergies bien déterminées. E= En électronique + Ev vibration + EJ rotation * Chaque énergie est quantifiée: seules des valeurs discrètes sont accessibles (n, v, J entiers) Nombres quantiques * Elles n’ont pas le même ordre de grandeur : E électonique >> E vibration >> E rotation Introduction à la spectroscopie  3- La matière: niveaux d’énergie des atomes et des molécules  Diagramme énergétique simplifié d’une molécule diatomique Niveaux d’énergie V=2 vibrationnelle V=1 Niveau électronique excité V=0 J=2 niveau rotationnel Niveaux d’énergie rotationnelle V=2 V=1 Niveau électronique fondamental V=0 J=0 Introduction à la spectroscopie  4- Les interactions lumière – matière Sont principalement de 3 types :  l'absorption E* h E0 L'énergie électromagnétique est transmise à la molécule (transition d'un état de "basse énergie" à un état de "haute énergie") Introduction à la spectroscopie  4- Les interactions lumière – matière Sont principalement de 3 types :  l'émission E* h E0 L'énergie électromagnétique est perdue par la molécule sous la forme d'un photon (transition radiative d'un état de "haute énergie" à un état de "basse énergie") Introduction à la spectroscopie  4- Les interactions lumière – matière Sont principalement de 3 types :  la diffusion Changement de direction de la lumière: Sans changement d'énergie: Diffusion élastique Changement d'énergie: Diffusion inélastique Introduction à la spectroscopie  5- Les transitions entre les niveaux On peut ainsi effectuer des transitions : - rotationnelles (entre 2 états de même n et v ) elles sont dans le domaine des micro ondes et lointain IR [phase gazeuse nécessaire (En phase gazeuse : molécules tournent librement)]  Spectre de raies - Vibrationnelles (entre 2 états de même n ) avec des v différents, elles sont dans le domaine de l’infra rouge.  Spectre de bandes (phase condensée) - Électroniques avec des n différents, elles sont dans le domaine du visible et de l’ultra violet.  Spectre de bandes Introduction à la spectroscopie Spectre IR de l’acide méthanoïque  Spectre IR Spectre IR Transmission Absorbance (u.A) (%) Spectre UV-Visible Absorbance (u.A) Spectre lointain IR Longueur d’onde (nm)  6- Comment se présente un spectre ? L'enregistrement graphique réalisé par un appareil appelé spectrophotomètre donne un spectre. C'est un diagramme à deux dimensions : en abscisse on porte la caractéristique spectrale du rayonnement et en ordonnée l'intensité du phénomène en utilisant la transmittance ou l'absorbance. Transmittance Absorbance λ(nm) ou (cm-1) λ(nm) ou (cm-1) Introduction à la spectroscopie  7- Spectrophotomètre Introduction à la spectroscopie  8- Absorption et Transmission  Définition L'absorbance mesure la capacité d'un milieu à absorber la lumière qui le traverse. Flux incident Flux transmis 0 t Milieu absorbant 0 L’absorbance A = log10 est exprimée en u.A. (unité d’absorbance), t anciennement DO (densité optique), A= -log(T)   La transmittance T= t En pourcentage (% T): T (%) =  t.100 0 0 Introduction à la spectroscopie  8- Absorption et Transmission  Additivité des absorbances p A : cA B : cB 0 p p 2 A :cA 1 B : cB 1 2  2 1 2 T1 = et T2 = T= = = T1T2 0 1  0  01 A= -log(T) = -log(T1T2) = -logT1-logT2= A1+A2 (add. des absorbances) Introduction à la spectroscopie  8- Absorption et Transmission  Loi de Beer-Lambert La spectrométrie d’absorption moléculaire est une technique applicable à l’analyse quantitative qui permet le mesurage de la concentration d’un composé dissous dans une solution. l 0 t Aλ = λ l C l : longueur de la cuve en cm  : coefficient d’extinction molaire à une longueur d'onde λ en L.cm-1.mol-1 C : concentration de la solution en mol.L-1 Introduction à la spectroscopie  8- Absorption et Transmission  Loi de Beer-Lambert La loi de Beer-Lambert s'applique pour des radiations mono-chromatiques et sa validité est bonne lorsqu'on travaille avec des solutions suffisamment diluées pour ne pas modifier les propriétés des molécules (association, complexation …) Aλ = λ l C On se limite donc aux faible valeurs d’absorbance A < 1uA Introduction à la spectroscopie  Spectre électromagnétique et phénomènes physiques impliqués UV IR Radiofréquences Spectroscopies Rayons γ Rayons X lointain proche Visible proche moyen lointain Micro- RPE RMN ondes Longueur d’onde 0,01nm 10 200 400 800nm 2,5µm 30µm 300µm 1cm 1m 10m Changement Changement de distribution électronique Changement des Changement Changement d’orientation d’état des distances d’orientation de la de spin par rapport à un Phénomènes constituants interatomiques molécule champ magnétique physiques du noyau Orbitales de Orbitales de valence Spin Spin impliqués cœur électronique nucléaire Excitation Transition Vibration Rotation Changement du noyau électronique moléculaire moléculaire d’orientation de spin Contribution Contribution électrique de l’OEM magnétique de l’OEM