Par Vincent MAKOKHA
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Procédés de séparation
et techniques électro-analytiques et spectrochimiques
Procédés de séparation et techniques
électro-analytiques et spectrochimiques
Note
Ce document est publié sous une licence Creative Commons.
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License (abréviation « cc-by »), Version 2.5.
Dr Scott Van Bramer (spectrométrie de masse) ainsi que Dr William Reush (spectroscopie moléculaire) de l’Université du Michigan ont autorisé la reproduction de certains textes et diagrammes provenant de leur cours de chimie organique.
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I. Procédés de séparation et techniques électro-analytiques
et spectrochimiques ... 3
II. Prérequis... 3
III. Temps ... 3
IV. Matériels didactiques ... 3
V. Justification... 4
VI. Contenu... 4
6.1 Résumé ... 4
6.2 Vue d'ensemble... 5
6.3 Représentation graphique ... 7
VII. Objectifs généraux ... 7
VIII. Objectifs spécifiques d’apprentissage ... 8
IX. Activités d’enseignement et d’apprentissage ... 10
X. Liste des concepts clés (glossaire) ... 15
XI. Liste des lectures obligatoires ... 21
XII. Listes des liens utiles ... 23
XIII. Ressources multimédias ... 31
XIV. Activités d'apprentissage ... 33
XV. Synthèse du module ... 106
XVI. Évaluation sommative ... 108
XVII. Auteur principal du module ... 111
XIII. Références ... 112
XIX. Structure du document ... 112
Table des maTières
i. Procédés de séparation et techniques électro-analytiques et spectrochimiques
Par Vincent Makokha
ii. Prérequis/connaissances préalables nécessaires
• Structure de l’atome et concept de niveau d’énergie
• Introduction aux concepts d’oxydo-réduction (RedOx)
• Équilibrage d’équations rédox
• Potentiels de réduction standards
• Équation de Nernst
• Concepts d’échantillonnage
• Calculs d’erreur et statistiques
• Théorie des liaisons chimiques
• Électrochimie
iii. Volume horaire/temps
• Techniques de séparation et chromatographie 25 heures
• Techniques électrochimiques 15 heures
• Spectroscopie et techniques spectroscopiques atomiques 20 heures
• Spectroscopie moléculaire 1 (UV et IR) 30 heures • Spectroscopie moléculaire 2 (RMN) 15 heures
• Spectrométrie de masse 15 heures
iV. matériels didactiques
Afin de compléter ce module, les ressources et outils suivants seront nécessaires :
• Ordinateur, CD-ROMs et ressources virtuelles
• Pouvoir accéder à ce module, examens et autres matériels nécessaires à partir d’un ordinateur
• Une connexion Internet afin d’accéder au module et aux autres références suggérées.
• Pouvoir accéder à des forums de discussion interactifs.
• Manuels et matériels de référence recommandés pour l’apprentissage et la compréhension des thèmes du module.
• Programme Macromedia Flash Player
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V. Justification/importance du module
Les différents procédés de séparation et techniques électro-analytiques et spec- trochimiques constituent la base de l’analyse instrumentale et leur application est largement répandue en industrie, en chimie, en biochimie et dans les domaines de l’environnement et de l’enseignement des sciences. Ces techniques sont basées sur les principes de chimie enseignés au niveau scolaire. Ainsi, tout au long de ce module, nous étudierons les principes sur lesquels ces techniques s’appuient et acquerrons les habiletés nécessaires à l’utilisation de ces techniques. L’étude de cette discipline augmente la compréhension des principes de chimie sous-jacents et permet aux ap- prenants de transmettre un meilleur enseignement au niveau scolaire.
Vi. Contenu
6.1 Résumé
Ce module est constitué de trois parties indépendantes relatives aux thèmes suivants : procédés de séparation, techniques chromatographiques, techniques électro-analy- tiques et méthodes spectroscopiques. Il est subdivisé en six unités d’apprentissage reflétant les concepts et approches courants.
Les unités portant sur les procédés de séparation et les techniques chromatographi- ques expliciteront les techniques de séparation élémentaires qui sont couramment enseignées dans les écoles. Par la suite, nous nous intéresserons aux techniques de chromatographies en exposant successivement les points suivants : théorie générale, applications et différentes techniques de chromatographie planaire et sur colonne.
La section sur les techniques électro-analytiques introduit les principes sur lesquels est basée la potentiométrie et indiquera les applications courantes de celle-ci. Suit la section sur la voltampérométrie (ou voltammétrie) qui débute par les techniques dites polarographiques et qui se terminera par les voltampérométries cyclique et à redissolution anodique.
L’unité sur la spectroscopie et les techniques de spectroscopie atomique revoit les concepts suivants : les interactions entre l’énergie et la matière ainsi que les niveaux d’énergie dans les atomes et les molécules. L’unité se termine par une étude des différentes techniques utilisées en spectroscopie atomique.
La première unité portant sur la spectroscopie moléculaire s’intéresse d’abord à la théorie spectroscopique dans le spectre de lumière visible et dans la région des rayons ultraviolets (UV). Il est ensuite question de la place de ce concept et de son utilisation dans l’analyse qualitative et quantitative, ainsi que l’instrumentation dans le cadre de la spectrophotométrie moderne dans l’UV-visible. L’étude se poursuit ensuite sur la spectroscopie infrarouge (IR) en débutant par une introduction sur le spectre IR. Il est
ensuite question des pics d’énergie caractéristiques reliés aux groupes fonctionnels des molécules et de l’application de l’IR dans l’identification de composés chimiques ou de groupements fonctionnels moléculaires.
La deuxième unité sur la spectroscopie moléculaire commence par une introduction sur le phénomène de résonnance magnétique nucléaire (RMN). Ensuite il est ques- tion de la RMN du proton, de la relation entre le décalage chimique du proton et son environnement chimique et moléculaire ainsi que de l’utilisation de la RMN du proton dans l’identification de groupe fonctionnels moléculaires. L’unité se termine par l’étude la RMN du carbone et de son rôle dans l’analyse de composés.
La dernière unité d’apprentissage porte sur la spectrométrie de masse et débute par une introduction sur les principes de base de la technique. Il est ensuite question de l’utilisation de la spectrométrie de masse dans l’identification de composés organiques et de l’instrumentation de la technique.
6.2 Vue d'ensemble
UNITÉ I Séparation et techniques chromatographiques - 25 heures
• Techniques de séparation - Extraction au solvant - Distillation
• Chromatographie
- Théorie de la chromatographie - Le processus d’entraînement
• Types de techniques de chromatographie - Chromatographie planaire
- Chromatographie sur colonne - Chromatographie liquide
- Chromatographie en phase gazeuse
UNITÉ II Techniques électro-analytiques - 15 heures
• Potentiométrie
- Électrodes sélectives ioniques - Électrodes à pH en verre - Titrages potentiométriques
• Voltampérométrie (voltammétrie) - Polarographie
- Polarographie impulsionnelle - Voltampérométrie cyclique
- Voltampérométrie à redissolution anodique
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UNITÉ III Spectroscopie et techniques de spectroscopie atomique - 20 heures
• Spectroscopie
- Rayonnement électromagnétique - L’atome et la spectroscopie atomique - Loi de Beer
• Techniques de spectroscopie atomique
UNITÉ IV Spectroscopie moléculaire 1: uv-visible et ir- 30 heures
• Spectroscopie dans l’ultraviolet/visible - Transitions électroniques
- Utilisation de l’UV dans l’identification de groupes fonctionnels - Instrumentation de la spectrométrie UV-visible
• Spectroscopie infrarouge
- Vibrations moléculaires et spectroscopie infrarouge (IR) - Énergies relatives et absorption dans l’IR
- Utilisation de la spectroscopie IR dans l’identification de groupes fonctionnels
UNITÉ V Spectroscopie moléculaire 2 : résonance magnétique nucléaire - 15 heures
• Spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) - RMN du proton
- Déplacement chimique
- RMN du proton et structure de la molécule
• Spectroscopie de RMN du carbone
UNITÉ VI Spectrométrie de masse - 15 heures
• Spectrométrie de masse - Patrons de fragmentation - Spectre « empreinte digitale »
6.3 Schéma-synthèse
Vii. Objectifs généraux
Les objectifs généraux de ce module sont au nombre de trois : expliquer les concepts fondamentaux de certaines techniques d’analyses modernes, donner aux apprenants du module les habiletés de base pour appliquer ces concepts lors de simulations de problèmes de la vie courante et approfondir la compréhension des étudiants des principes de chimie qui régissent ces techniques.
TECHNIQUES DE SÉPARATION ET DE CHROMATOGRAPHIE
PROCÉDÉS DE SÉPARATION ET TECHNIQUES ÉLECTRO- ANALYTIQUES ET SPECTROCHIMIQUES
TECHNIQUES ÉLECTRO- ANALYTIQUES
INTRODUCTION À LA SPECTROSCOPIE / SPECTROSCOPIE ATOMIQUE SPECTROSCOPIE
MOLÉCULAIRE 1
SPECTROMÉTRIE DE MASSE
SPECTROSCOPIE MOLÉCULAIRE 2
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Viii. Objectifs spécifiques d’apprentissage
Unité Objectifs d’apprentissages 1. Procédés de
séparation et techniques de chromatographie
À la fin de cette unité, les lecteurs seront capables de : -Réintégrer les méthodes de séparation enseignées à l’école -Expliquer les principes de base de l’extraction au solvant
-Résoudre des problèmes numériques hypothétiques concernant l’extraction au solvant
-Nommer et dessiner les appareils utilisés pour l’extraction au solvant -Nommer les techniques courantes de chromatographie sur colonne et pla-
naire
-Expliquer la théorie sous-tendant chacune des techniques de chromatogra- phie planaire et sur colonne
-Rappeler l’équipement nécessaire pour la chromatographie sur planaire et sur colonne
2. Techniques
électro-analytiques À la fin de cette unité, les lecteurs seront capables de : -Rappeler la théorie sur laquelle se base la potentiométrie
-Expliquer les applications de la potentiométrie à la mesure de pH, aux électro- des sélectives ioniques et aux stations de titrage automatique
-Réintégrer la théorie sous-tendant la voltampérométrie
-Interpréter qualitativement et quantitativement des données voltampéromé- triques
-Expliquer les concepts de base de l’analyse polarographique
-Interpréter des données polarographiques afin d’identifier et de quantifier des composés chimiques
3. Introduction aux techniques spectroscopiques et spectroscopi- ques atomiques
À la fin de cette unité, les lecteurs seront capables de : -Nommer les parties du spectre électromagnétique
-Rappeler les effets du rayonnement sur les atomes et les molécules -Rappeler la loi de Plank et l’appliquer aux problèmes de spectroscopie -Réviser les niveaux d’énergie des électrons dans les atomes et les molécules -Réintégrer la loi de Beer et l’appliquer à des problèmes quantitatifs
-Expliquer les niveaux d’énergie des électrons dans les atomes et les transitions électroniques causées par l’absorption de radiations
-Expliquer les concepts sur lesquels sont basées les spectroscopies d’émission atomique (SEA), de fluorescence atomique (SFA), et d’absorption atomique (SAA)
-Réintégrer les notions d’instrumentation des SEA, SFA et SAA
-Faire les calculs nécessaires en se basant sur des observations de SAA, SFA et SEA hypothétiques
Unité Objectifs d’apprentissages 4. Spectroscopie
moléculaire 1 : spectroscopie dans l’UV-visible et dans l’IR
À la fin de cette unité, les lecteurs seront capables de :
-Réintégrer la notion de transition électronique causée par l’absorption de rayons UV-visibles
-Faire la corrélation entre l’absorption de rayons UV-visibles de fréquences spécifiques et les groupes fonctionnels moléculaires
-Utiliser des données hypothétiques pour trouver la concentration d’un liquide en utilisant l’UV
-Rappeler les parties d’un spectrophotomètre UV moderne et leurs fonctions -Réintégrer les notions de transitions électroniques causées par l’absorption de
rayons IR
-Faire la corrélation entre l’absorption de rayons IR de fréquences spécifiques et les groupes fonctionnels moléculaires
-Faire la corrélation entre l’absorption de rayons IR de fréquences spécifiques et la structure de molécules organiques simples
-Rappeler les parties d’un spectrophotomètre IR moderne et leurs fonctions 5. Spectroscopie
moléculaire 2 : Spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN)
À la fin de cette unité, les lecteurs seront capables de : -Expliquer le phénomène de résonance magnétique nucléaire -Rappeler les propriétés nucléaires démontrées par la RMN -Expliquer le phénomène de RMN du proton (HRMN)
-Corréler les fréquences spécifiques d’absorption HRMN aux groupes fonction- nels moléculaires
-Corréler les fréquences spécifiques d’absorption HRMN à la structure molécu- laire de molécules organiques simples.
-Expliquer les particularités du phénomène de RMN du carbone-13 -Rappeler la nature des informations fournies par une RMN du carbone-13 -Rappeler les parties d’un spectromètre à RMN moderne et leurs fonctions 6. Spectrométrie de
masse À la fin de cette unité, les lecteurs seront capables de :
-Expliquer comment se produit le phénomène du spectre de masse -Expliquer les règles suivies par la fragmentation dans un spectre de masse -Faire la corrélation entre le spectre de masse et des éléments structurels
spécifiques dans une molécule
-Utiliser un spectre de masse pour identifier différentes catégories de molécu- les
-Utiliser un spectre de masse à haute résolution et un calculateur de masse moléculaire afin d’identifier des éléments structurels
-Rappeler les différentes parties d’un spectromètre de masse et leurs fonctions
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iX. activités d’enseignement et d’apprentissage
Évaluation formative
1) Un atome de béryllium possède 4 protons, 5 neutrons, et 4 électrons. Quel est le nombre de masse de cet atome ?
A) 4 B) 9 C) 8 D) 7
2) Le nombre quantique principal le plus bas pour un électron est : A) 1 B) 0 C) 2 D) -1
3) Concernant les acides et les bases, lequel des énoncés suivants est vrai ?
a) Les acides et les bases ne réagissent pas ensemble
b)
Les acides et les bases
se neutralisent l’un l’autre c) Un acide mélangé à une base donne une base plus forte d) Un acide mélangé à une base donne un acide plus fort4) Les solutions neutres ont un pH de : A) 0 B) 1 C) 7 D) 10
5) Comparativement à la charge et la masse d’un proton, un électron a : a) la même charge et une masse inférieure
b) la même charge et une masse égale
c) une charge opposée et une masse inférieure d) une charge opposée et une masse égale
6) Quelle est la formule empirique du composé ayant la formule moléculaire P4O10
a) PO b) PO2 c) P2O5 d) P8O20
7) Laquelle des conversions suivantes nécessite un agent oxydant ? a) Mn3+ --> Mn2+
b) C2H4 --> C2H6
c) (2CrO4)2- --> (Cr2O7)2- d) SO2 --> SO3
8) Les halogénures d’hydrogène sont des molécules polaires qui forment des solu- tions acides. Lequel des acides suivants est le plus faible ?
a) HI b) HF c) HBr d) HCL
9) Calculez la [H+] dans une solution ayant un pH de 8,38.
a) 1,21 x 10-2 b) 3,8 x 10-8 c) 2,40 x 108 d) 4,17 x 10-9
10) Dans toutes les cellules électrochimiques, le processus qui prend place à l’anode est ______________ et celui qui se produit à la cathode est ______________.
a) oxydation, réduction b) réduction, réduction c) réduction, oxydation d) oxydation, oxydation
11) Quel est l’état d’oxydation du soufre (S) dans le composé H2SO3 ? a) +4
b) +2 c) 0 d) +6
12) L’électrode standard à hydrogène a un potentiel de référence de : a) -1,00 volt
b) 0,76 volt c) 0
d) 1,00 volt
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13) Choisissez l’équation qui ne représente pas une réaction redox : a) Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu
b) 2H2O2 → 2H2O + O2 c) H2O + CO2 → H2CO3 d) 2H2 + O2 → 2H2O
14) Une mole d’électrons a une charge de 96 485 coulombs. Cette quantité est connue des chimistes comme étant :
a) 1 watt b) 1 ampère c) 1 joule d) 1 faraday
15) Parmi ces propriétés de l’eau, laquelle explique sa capacité à dissoudre l’acide acétique ?
a) La tension de surface élevée de l’eau, qui est causée par la formation de liens hydrogène entre les molécules d’eau adjacentes.
b) La capacité de l’eau d’agir comme tampon; absorbant les protons libérés par l’acide acétique.
c) La capacité de l’eau de former des liens hydrogène avec les groupements carbonyles et hydroxyles de l’acide acétique.
d) Aucune des réponses ci-dessus.
16) Le pH d’une solution correspond à :
a) La concentration de l’ion hydrogène, [H+] b) log [H+]
c) -log [H+] d) -ln [H+] e) -ln [H+]
17) Si la concentration de H + dans une solution est 10 - 3 M, quelle sera la concen- tration de OH – dans cette même solution à 25°C ?
a) 10 - 3 M b) 10 - 11 M c) 1011 M d) 2 x 10 - 11 M e) 10 - 14 M
18) Quelle quantité (en ml) d’une solution de HCl 0,4 M est requise pour amener le pH d’une solution de 10 ml de NaOH 0,4 M à 7,0 (pH neutre) ?
a) 4 b) 40 c) 10 d) 20 e) 2
19) Un atome duquel des éléments suivants a la plus grande capacité d’attirer un électron ?
a) Silicium b) Soufre c) Azote d) Chlore
20) Lequel des éléments suivants a la plus haute énergie de première ionisation ? a) Aluminium
b) Sodium c) Calcium d) Phosphore
Eléments de réponse 1. b
2. a 3. b 4. c 5. a 6. c 7. d 8. b 9. d 10. a 11. a 12. c
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13. c 14. d 15. c 16. c 17. b 18. c 19. d 20. d
Commentaire pédagogique pour les lecteurs/apprenants Moins de 30% de bons résultats
Il est fortement recommandé à l’apprenant(e) de réviser les concepts et connaissances préalables requis avant d’entreprendre l’étude de ce module.
Entre 30 et 60% de bons résultats
L’apprenant(e) est préparé à entreprendre ce module, mais aura peut-être besoin de recourir à une révision de certains concepts.
Au-delà de 60% de bons résultats
L’apprenant(e) est bien préparé et maîtrise suffisamment les connaissances préala- bles.
X. Concepts-clés (Glossaire)
Séparation et chromatographie
Éluant (ou, plus rarement, Solvant) est le terme qui désigne le la phase mobile liquide.
Diluant : terme désignant un liquide inerte utilisé pour dissoudre l’extractant, et pour diluer le système.
Extractant : terme qui désigne un agent d’extraction d’ions métalliques.
Raffinat : désigne la phase mobile après qu’un soluté en ait été extrait (le mélange appauvri en soluté).
Extrait : désigne la phase enrichie en soluté que l’on obtient après l’extraction.
Extraction : désigne l’opération qui extrait un soluté non-désiré d’un liquide orga- nique
Revaporisation (Stripping) : Prenons le cas d’une chaudière vapeur qui contient de l’eau (et de la vapeur au dessus du plan d’eau) sous 210ºC - 19 bars (absolus). Si l’on soutire de l’eau celle-ci va se trouver à la pression atmosphérique, or à p = patm la température peut être au maximum de 100ºC : une partie de l’eau va se vaporiser pour atteindre cette température : c’est la revaporisation. Ce procédé peut servir à en réduire la teneur d’un liquide en produits trop volatils, par exemple.
Asymétrie : c’est un facteur décrivant la forme du pic chromatographique. La théorie assume une courbe de Gauss symétrique. Le facteur d’asymétrie du pic est le ratio (mesures prises à 10% de la hauteur) de la distance entre l’apex et la deuxième moitié de la courbe chromatographique sur la distance entre l’apex et la première moitié de la courbe. Une valeur supérieure à 1 aura pour résultat une traînée (tailing peak) alors qu’une valeur inférieure à 1 indique un front diffus (fronting peak).
Ligne de base: la ligne de base est celle qui est dessinée par le système d’analyse quand le seul signal détecté provient de la phase mobile.
Chromatographie : C’est un procédé physique de séparation basé sur la différence d’affinité des substances constituantes à analyser à l’égard de deux phases, l’une stationnaire ou fixe, l’autre mobile.
Volume mort (Vm): C’est en quelque sorte tout volume externe aux particules imprégnées de liquide (phase stationnaire) contenues dans la colonne. Le volume interstitiel (intra-particules et inter-particules contenues dans la colonne) ajouté au volume extra-colonne (auquel contribue l’injecteur, le détecteur, les tubes connecteurs et les raccords) se combinent pour former le volume mort. Ce volume mort peut être déterminé en injectant dans la colonne un composé inerte, par exemple un liquide qui n’interagirait pas avec la phase stationnaire. On retrouve aussi les abréviations V0 ou Vm (pour volume mort).
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Détecteur : C’est un dispositif électronique qui met en évidence de façon quantitative la présence des composés séparés pendant l’élution. Il existe différents types de dé- tecteurs. Les plus courants sont : les détecteurs de rayonnement dans l’UV-visible, les détecteurs à réfractomètre différentiel, les détecteurs électrochimiques, les détecteurs de conductivité et les détecteurs de fluorescence.
Chromatographie de déplacement : c’est un procédé chromatographique où la phase mobile a plus d’affinité que le soluté (l’échantillon) pour la phase stationnaire.
L’échantillon est placé sur la colonne et est donc ensuite déplacé par la phase mobile qui est plus fortement absorbée que les différentes composantes de l’échantillon. Les molécules de l’échantillon sont donc poussées devant par la phase mobile. On obtient pour résultat une meilleure élution du soluté. Ces techniques de déplacement sont utilisées principalement en chromatographie liquide à haute performance (CLHP, ou HPLC).
Standard externe : c’est un échantillon distinct contenant des quantités connues des composés (ou solutés) d’intérêt. Les standards externes sont utilisés principalement pour l’identification de pics en comparant les temps d’élution.
Hydrophile : désigne l’affinité pour l’eau. Ce terme convient autant aux phases stationnaires compatibles avec l’eau qu’aux molécules solubles dans l’eau. La plu- part des colonnes utilisées pour la séparation de protéines sont de nature hydrophile et ne devraient pas absorber ni dénaturer les protéines contenues dans une solution aqueuse.
Injecteur : c’est un dispositif servant à injecter de façon précise une quantité prédé- terminée d’échantillon dans le flot de la phase mobile. L’injecteur peut être un simple dispositif manuel ou encore un appareil sophistiqué d’échantillonnage permettant l’injection automatisée de plusieurs échantillons différents (peut être une opération sans surveillance humaine).
Coefficient de partage (K) : rapport entre la quantité de soluté dans la phase station- naire et la quantité de soluté dans la phase mobile. Il peut aussi être appelé coefficient de distribution, KD.
Temps de rétention (tr) : désigne le temps entre l’injection et l’apparition du sommet du pic. Le temps de rétention ajusté ou réduit, tr’, est le temps de rétention soustrait du temps passé dans la phase stationnaire.
Volume de rétention (Vr) : correspond au volume de la phase mobile requis pour éluer une substance de la colonne. On désigne également par Vm le volume mort ou volume nul, KD le coefficient de distribution et Vs, le volume de la phase stationnaire.
Phase stationnaire : c’est la phase immobile impliquée dans le processus de chro- matographie. En chromatographie liquide, cette phase peut être un solide, ou encore une paroi ou un support solide enduit de la substance qui joue le rôle de la phase stationnaire. La phase stationnaire choisie est souvent une caractéristique du mode de chromatographie liquide (LC) utilisé. Par exemple, le gel de silice est utilisé en chromatographie d’adsorption, l’enduit d’octadécylsilane est typique de la chroma- tographie en phase inverse, etc.
Chimie électro-analytique
Courant de bruit de fond : courant qui n’est pas lié à la réaction chimique de l’analyte.
Courant capacitif ou chargeant : courant de bruit de fond produit par l’électrode jouant le rôle de capaciteur et devenant chargée.
Diffusion : mouvement dans une solution causé par un gradient de concentration.
Demi-cellule : c’est la moitié d’une cellule électrochimique contenant une élec- trode, un système conducteur avec un solvant, un analyte et un pont salin assurant la conductivité.
Potentiel de demi-vague : c’est le potentiel à la moitié du pic, une mesure du po- tentiel formel.
Électrode indicatrice : électrode utilisée en potentiométrie dont le potentiel dépend de l’activité de l’analyte.
Électrode sélective ionique : électrode utilisée en potentiométrie qui donne un signal de potentiel en présence de l’ion auquel elle est sélective.
Voltampérométrie à balayage linéaire : c’est l’action de mesurer le courant lorsque le potentiel change de façon régulière (linéairement augmenté ou diminué).
Migration : mouvement dans une solution causé par un gradient de potentiel.
Polarographie : méthode de voltampérométrie où l’électrode de travail est l’électrode à gouttes de mercure.
Potentiel ou potentiel électrochimique : mesure de l’énergie d’une réaction élec- trochimique.
Fenêtre de potentiel : fenêtre de potentiel pour une électrode ou un solvant donné(e) où les mesures analytiques peuvent être faites.
Électrode de référence : demi-cellule de potentiel électrochimique connu et constant
; unités généralement en volts, (V).
Électrode d’argent/chlorure d’argent : électrode de référence qui consiste en un fil d’argent recouverte d’un enduit de chlorure d’argent et immergé dans une solution aqueuse saturée.
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Spectroscopie
Spectroscopie d’absorption : type de spectroscopie où l’on mesure la quantité de rayonnement d’une longueur d’onde particulière absorbée par un échantillon d’in- térêt. La longueur d’onde d’absorption dépend de la molécule et de ses différentes transitions électroniques.
Loi de Beer-Lamber : c’est une fonction de l’absorbance, la longueur du trajet de la lumière, le coefficient d’absorption molaire et la concentration de l’échantillon : A = εcl.
Chromophore : groupement fonctionnel responsable de l’absorption. Ex. : un alcène absorbe à une λmax de 177 nm.
Conjugaison : c’est une longue série de liaisons simples, doubles et/ou triples alter- nées, qui provoque le recouvrement des orbitales p. Les systèmes conjugués tendent à absorber dans la région visible.
Double liaison : une liaison chimique ou l’orbitale s et deux des orbitales p s’hybrident pour former 3 orbitales sp2 qui formeront une liaison sigma (σ), avec l’hydrogène ou le carbone, par exemple. L’orbitale p restante formera une liaison pi (π) avec un autre carbone hybridé sp2.
Spectre électromagnétique : c’est la région d’énergie électromagnétique où les longueurs d’onde vont de 105 (ondes radio) à 10-14 (rayonnement gamma). Entre ces deux extrêmes se trouvent les régions de l’infrarouge, du visible, de l’ultraviolet et des rayons X.
Fluorescence : La fluorescence a lieu lorsqu’un électron à l’état excité qui se trouve dans un état excité, transite vers l’état fondamental. Cette transition s’accompagne d’une perte d’énergie qui se produit en premier lieu par perte de chaleur à travers la relaxation vibrationnelle et ensuite par émission de lumière (fluorescence) lors du retour à l’état fondamental
HOMO : acronyme pour Highest Occupied Molecular Orbital ; l’orbitale de plus haute énergie qu’occupe un électron dans la molécule au zéro absolu.
LUMO : acronyme pour Lowest Unoccupied Molecular Orbital ; l’orbitale de plus basse énergie inoccupée par un électron dans la molécule au zéro absolu
Coefficient d’absorption molaire : c’est une mesure de la quantité de radiation ab- sorbée par unité de concentration d’échantillon dont l’équation peut être réarrangée pour donner : ε = A/cl (loi de Beer-Lambert). Cette valeur est constante pour une substance donnée.
Orbitales moléculaires : orbitales qui résultent de l’interaction des orbitales ato- miques lorsque des liaisons chimiques sont formées. Les orbitales liantes sont de moindre énergie que les orbitales atomiques d’origine, les orbitales anti-liantes sont de plus haute énergie et les non-liantes sont d’énergie égale.
Spectroscopie : c’est la méthode où des données sont produites et analysées permet- tant la détermination de structures de molécules.
Transmittance : La quantité de rayonnement qui passe à travers un échantillon, c’est- à-dire qui n’est pas absorbée par ce dernier. On obtient le pourcentage de transmission (transmittance) en multipliant par 100 la valeur du quotient du rapport de la quantité d’énergie émise sur la quantité d’énergie passant à travers l’échantillon.
Région de l’ultraviolet : c’est la région du spectre électromagnétique d’environ 400 à 10 nm. Elle est séparée en trois sous-domaines : les UV proches (400 à 300 nm), les UV éloignés (300 à 200 nm) et les UV extrêmes (exploités dans le vide uniquement, moins de 200 nm). Ces derniers sont appelés UV extrêmes ou exploités dans le vide (sous vide), car leur radiation est absorbée par l’oxygène. Cela signifie que si l’on désire utiliser les UV extrêmes, l’appareil doit être mis sous vide.
Région du visible : la région du spectre électromagnétique de 700 à 400 nm à laquelle l’œil humain est sensible et peut voir la lumière blanche et les couleurs.
Longueur d’onde : c’est la mesure des ondes de pic à pic. Par exemple, les ondes radio ont des longueurs d’onde pouvant aller jusqu’à 10 km alors que les rayons gamme possèdent des longueurs d’onde aussi courtes que 10-14m (0,00000000000001m).
Spectrométrie de masse
Spectrométrie de masse : c’est la technique dans laquelle un instrument est employé pour produire des ions à partir d’atomes ou de molécules (la source). Ces ions sont séparés selon la valeur du quotient du rapport de leur masse sur leur charge (m/z) (l’analyseur) et ensuite, détectés.
Double focus : une combinaison de champs électrostatique et magnétique qui est utilisée pour compenser les variations dans les énergies des ions formés dans la source et ainsi, améliorer la résolution (qv) de l’analyseur (voir aussi systèmes à géométrie normale/ conventionnelle et inversée).
Tension d’accélération : potentiel appliqué à la source pour accélérer le mouvement des ions à l’intérieur de l’analyseur.
Unité de masse atomique unifiée : l’unité de masse atomique est le 1/12 ème de la masse d’un atome de carbone 12 ( 1 u.m.a = 1,66.10-24 g = 1,66.10-27 kg). . m/z est le rapport de la masse sur la charge de l’ion détecté. Z est souvent égal à 1, mais peut être un nombre entier plus grand, particulièrement en spectroscopie de masse à ionisation par électron-ébullisation (ESI-MS).
Ion moléculaire : désigne l’ion formé à partir de la molécule d’origine à l’intérieur de la source.
Radical ion : c’est un ion possédant un électron non apparié.
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Masse moyenne ou relative (Mr) : c’est la masse d’une particule ou molécule de formule empirique donnée, calculée en utilisant la masse atomique pour chaque élément.
Masse exacte : les isotopes ont une masse précise et unique, cela a pour conséquence que la composition en éléments de toute molécule, ou fragment de molécule, peut être calculée à partir de sa masse si elle est déterminée de façon suffisamment précise.
Trucs d’apprentissage
Le matériel pédagogique contenu dans ce module est présenté en ordre croissant de complexité, du début à la fin de chaque unité. C’est pourquoi il est suggéré d’étudier chaque unité du début jusqu’à la fin, dans l’ordre de présentation. Il est également conseillé à l’apprenant de s’en tenir au nombre d’heures proposé pour chaque unité.
Quatre ressources majeures sont proposées pour ce module : le module lui-même, les références en ligne, les livres de référence et l’évaluation formative.
L’apprenant devrait utiliser le matériel contenu dans ce module en tant que premier outil d’apprentissage et parcourir l’unité intégralement avant de se référer aux livres de référence et à l’internet.
Les ressources en ligne sont indiquées dans le corps du texte du module partout où il serait bénéfique à l’étudiant de les consulter.
L’évaluation formative est incluse dans le module afin d’augmenter la compréhension des concepts-clés et de renforcer les compétences. Les apprenants devraient tenter de faire les évaluations dès la fin de la section et les utiliser comme une pratique.
L’évaluation sommative examine la compréhension des concepts et évalue ce que l’apprenant a retenu d’une unité donnée.
Xi. lectures obligatoires
Référence 1
Titre : Spectrometric Methods of identification of organic Compounds Auteurs : Robert M. Silverstein, Francis X. Webster et David J. Kiemle Éditeur : Wiley; 7e édition, 2005
Résumé : Ce livre présente une introduction approfondie sur les trois types de spectroscopie les plus couramment utilisés pour l’identification spectrométrique de composés : spectrométrie de masse, spectrométrie infrarouge et spectrométrie de résonance magnétique nucléaire. L’ouvrage utilise une approche de résolution de problèmes avec chartres et tableaux de référence complets et offre une gamme de problèmes réalistes mettant au défi les chimistes dans l’exercice de leur profession.
Justification : L’intention de cette référence est de donner aux étudiants l’opportunité d’acquérir des compétences pratiques d’interprétation de spectres. Il est conseillé à l’apprenant d’utiliser ce livre pour les questions pratiques et pour mieux maîtriser les techniques. En essayant de résoudre deux à trois problèmes sur chacune des techniques, il est possible d’atteindre une maîtrise satisfaisante des techniques de spectroscopie. Ce livre constitue une référence majeure concernant la spectroscopie UV, IR, RMN et la spectrométrie de masse.
Référence 2
Titre : Principles of Instrumental Analysis
Auteurs : Douglas A. Skoog, F. James Holler et Stanley R. Crouch Éditeur : Brooks Cole, 6e édition, 2006
Résumé : Ce livre met l’accent sur la théorie de base de chacun des types d’ins- truments et de leur principal champ d’application ou d’utilisation, ainsi que de leur sensibilité, leur précision et leurs limites.
Justification : Cette référence couvre tous les aspects du module de manière très simplifiée, mais reste tout de même la référence principale en matière de techniques électro-analytiques et chromatographiques.
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Référence 3
Titre : The Essential Guide to Analytical Chemistry Auteur : Georg Schewdt
Éditeur : John Wiley and Sons, 2e édition, 1997
Résumé : Ce livre est une suggestion de référence pratique pour ce module ; il contient tous les éléments du cours dans un format de poche facile à lire. Son format unique contenant des diagrammes colorés, accompagnés de textes concis le rend facile à consulter et permet de trouver rapidement l’information pertinente. En plus de bien illustrer les procédés et instruments, les diagrammes présentent de façon claire et schématique des exemples de la vie courante de diverses applications au moyen de simples spectres.
Justification : Ce livre est suggéré en tant que référence complémentaire dans le but de raffiner la compréhension du module pour les apprenants. Il ne devrait pas être utilisé comme principale référence d’apprentissage puisque les sujets n’y sont pas autant traités en profondeur que dans les références 2 et 3.
Xii. liens utiles
Adresse : http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/carey/student/olc/ch13ir.html
Résumé : Ce lien fait référence à une partie d’un vaste cours de chimie qui s’appli- que à ce module. Toutefois, il n’est nécessaire pour l’apprenant de lire les chapitres autres que le treize. Ce chapitre traite du contenu de ce module de façon simple et facile à comprendre. Cette référence apporte une approche alternative pour l’étude du module, comprenant des tutorats de concepts théoriques ainsi que des exemples de problèmes résolus de différents spectres.
Justification: Les exemples de spectres fournis par cette référence procurent une bonne pratique de résolution de problèmes associés au module et permettent une meilleure compréhension des concepts.
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Adresse : http://ull.chemistry.uakron.edu/analytical/Spectrophotometry/
Résumé : Ce site contient des notes résumées sur les concepts étudiés dans ce mo- dule.
Justification : Ce site est bien et peut aider l’apprenant à mémoriser les notions du module et les concepts-clés.
Adresse : http://www.nd.edu/~smithgrp/structure/workbook.html
Résumé : Ce site contient un recueil de problèmes de pratique.
Justification: Ces problèmes sont utiles pour une meilleure maîtrise des concepts de la spectroscopie moléculaire et de la spectrométrie de masse.
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Adresse : http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/Spectrpy/spectro.htm#contnt
Résumé : Ce site contient un cours complet de chimie organique.
Justification : L’approche utilisée dans ce cours peut apporter une compréhension plus en profondeur du contenu de ce module.
Adresse : http://www.chromatography-online.org/topics/gas/chromatography/detectors.
html
Résumé : Ce site est l’un des sites sur la chromatographie les plus complets.
Justification: Sur ce site, les différents aspects sont traités avec plus de profondeur que ce qui est requis pour le module, mais il peut être utilisé comme référence.
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Adresse : http://www.cis.rit.edu/htbooks/nmr/bnmr.htm
Résumé : Ce site offre une bonne revue de la RMN du carbone 13 avec beaucoup d’explications accompagnées d’exemples de spectres.
Justification: Les objets d’étude du module sont traités sur ce site moins en profon- deur que ce qui est requis dans le module; il est donc conseillé à l’apprenant de ne l’utiliser qu’en tant que référence.
Adresse : http://weather.nmsu.edu/Teaching_Material/soil698/Student_Reports/Spec- troscopy/report.htm
Résumé : Ceci est un rapport d’un étudiant sur la spectroscopie d’absorption atomi- que (SAA). Justification: Cette page présente la spectroscopie atomique dans une forme simplifiée.
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Adresse : http://www.chemguide.co.uk/index.html#top
Résumé : Ce site s’adressait originalement aux étudiants du niveau A de chimie du Royaume-Uni. Il a cependant été approfondi et englobe maintenant les objets d’étude des niveaux A, IB, Scottish Advanced Higher et Cambridge International. En fait, ce site est utilisé par les personnes (âgées de 16 à 18 ans environ) suivant l’équivalent de ces cours à travers le monde et par les étudiants débutant leurs cours universitaires.
Justification : Ce site contient des explications très simplifiées des objets concernés par ce module.
Xiii. ressources multimédias
http://www.colby.edu/chemistry/NMR/H1pred.html
Résumé : Une bonne sélection d’applications servant à interpréter les spectres IR, de RMN et de masse, réalisée par le Colby College, dans l’état du Maine (USA).
Justification : Ce site offre plusieurs outils multimédias pour le renforcement de l’apprentissage de cette unité.
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http://www.shsu.edu/~chemistry/primers/primers.html
Résumé : Ce lien présente un vaste recueil de ressources multimédias concernant tous les thèmes couvert par ce module.
Justification : Ce site devrait être utilisé comme une source de références multimé- dias.
XiV. activités d’apprentissage
Unité I
Procédés de séparation et techniques de chromatographie
Résumé de l’activité d’apprentissage
À la fin de cette unité, les lecteurs seront capables de :
• Réintégrer les méthodes de séparation enseignées à l’école
• Expliquer les principes de base de l’extraction au solvant
• Résoudre des problèmes numériques hypothétiques concernant l’extraction au solvant
• Nommer et dessiner les appareils utilisés pour l’extraction au solvant
• Nommer les techniques courantes de chromatographie sur colonne et chro- matographie planaire.
• Expliquer la théorie sous-tendant chacune des techniques de chromatographie planaire et sur colonne
• Rappeler l’équipement nécessaire pour la chromatographie planaire et sur colonne
Liste des lectures obligatoires Procédés de séparation
http://en.wikipedia.org/wiki/Separation_process
http://en.wikipedia.org/wiki/Distillation#Laboratory_scale_distillation http://en.wikipedia.org/wiki/Liquid-liquid_extraction
http://en.wikipedia.org/wiki/Separating_funnel http://en.wikipedia.org/wiki/Distillation Chromatographie
http://en.wikipedia.org/wiki/HPLC
http://en.wikipedia.org/wiki/Chromatography http://hplc.chem.shu.edu/HPLC/index.html
http://www.waters.com/watersdivision/ContentD.asp?watersit=JDRS-5LTGBH http://www.chemguide.co.uk/analysis/chromatography/hplc.html
http://www.chemguide.co.uk/analysis/chromatography/column.html#top
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Liste de liens utiles pertinents
http://www.chromatography-online.org/Principles/Introduction/rs1.html http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/matter/chromatography.shtml http://www.chemguide.co.uk/analysis/chromatogrmenu.html#top
http://www.chemguide.co.uk/analysis/chromatography/thinlayer.html#top http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/CHROMO/be_types.htm http://www.forumsci.co.il/HPLC/modes/modes3.htm
http://www.chem.ubc.ca/courseware/121/tutorials/exp3A/columnchrom/
http://teaching.shu.ac.uk/hwb/chemistry/tutorials/chrom/gaschrm2.htm Procédés de séparation
Extraction au solvant
L’extraction liquide-liquide, aussi connue sous le nom d’extraction au solvant (ou plus rarement, extraction par partage), est une méthode de séparation des compo- sés basée sur leur solubilité relative dans deux liquides différents non-miscibles, habituellement l’eau et un solvant organique. C’est une extraction d’une substance d’une phase liquide dans une autre phase liquide. Dans cette méthode, une solution (généralement aqueuse) contenant un ou des soluté(s) est mise en contact avec un solvant (généralement organique) dans le but de transférer un soluté (ou plus) de la solution aqueuse vers le solvant. Le mélange est agité vigoureusement afin d’augmen- ter l’entrée en contact des particules de la solution avec celles du solvant, on utilise généralement une ampoule à décantation pour cette opération. L’appareil est ensuite laissé au repos afin de permettre aux deux phases de se séparer.
Coefficient de partage
Le coefficient de partage ou de distribution (K) est le rapport des concentrations d’un composé (ou soluté) dans les deux phases d’un mélange de deux solvants non- miscibles à l’équilibre. Ce coefficient est une mesure de la différence de solubilité du composé entre les deux solvants présents.
Normalement, un des solvants choisis est l’eau (ou une solution aqueuse), et le se- cond est un solvant organique (donc hydrophobe), comme l’octanol, par exemple.
Ainsi, les coefficients de partage et de distribution sont en quelque sorte une mesure de l’hydrophilie (affinité ave l’eau) ou de l’hydrophobie (incompatibilité avec l’eau) d’une substance chimique.
Facteurs influençant l’extraction au solvant
La polarité du soluté et la polarité du solvant : en général, les composés polaires seront dissous dans les solvants polaires et les solutés non-polaires se retrouveront dans le solvant organique, à moins que celui-ci ne contienne un nombre suffisant de groupes fonctionnels hydrophiles tels que les groupements hydroxyles ou sulfoniques.
Généralement, on ne pourra extraire les composés ioniques à l’aide d’un liquide or- ganique. Ceux-ci pourront être extraits en les faisant réagir avec des agents chélatants (ou complexants) afin de former de grosses entités non-polaires.
Distillation
Les distillations opérées à l’échelle du laboratoire sont presque exclusivement des distillations discontinues, c’est-à-dire que l’on distille complètement le mélange en ses composés avant de recharger l’appareil avec le même mélange, et l’on répète le processus. L’appareil utilisé, souvent appelé distillerie, est minimal est consiste en une sorte de bouilloire, un bouilleur, dans lequel le liquide de départ est chauffé; un condensateur (ou réfrigérant) dans lequel la vapeur est refroidie et revient à l’état liquide; puis un réceptacle où le liquide purifié concentré (appelé distillat) est recueilli.
Il existe plusieurs techniques pour la distillation en laboratoire.
Distillation simple
Dans la distillation simple, toutes les vapeurs chaudes produites sont immédiatement canalisées dans le condensateur qui refroidit et condense les vapeurs. Par contre, le distillat ne sera pas pur ; sa composition sera identique à la composition de la vapeur à une température et à une pression données, et peut être déterminée par la loi de Raoult.
La distillation simple est donc utilisée uniquement pour séparer des liquides dont les points d’ébullition diffèrent significativement (d’au moins 25°C selon la recom- mandation) ou encore pour séparer des liquides d’avec des solides non volatiles ou des huiles. Dans ces cas, les pressions de vapeur des composants sont généralement suffisamment différentes pour que l’on puisse négliger les effets relatifs à la loi de Raoult, ceci étant attribuable au fait que les composantes non volatiles contribuent peu à la vapeur. Toujours dans ce cas et selon l’utilisation visée, le distillat obtenu pourrait être suffisamment pur.
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Distillation fractionnée
Dans plusieurs cas, les points d’ébullition des composantes du mélange seront trop proches l’un de l’autre. On doit alors utiliser la distillation fractionnée afin de séparer adéquatement les composés. Ceci se fera à l’aide de cycles répétés de vaporisation- condensation à l’intérieur d’une colonne Vigreux.
Figure 1 : Appareil de distillation fractionnée. (Schéma modifié) Référence : http://en.wikipedia.org/wiki/Fractional_distillation
Comment la distillation fractionnée fonctionne-t-elle ?
À mesure que la solution à purifier est chauffée, la vapeur s’élève dans la colonne de fractionnement. Lors de l’élévation de la vapeur, celle-ci se refroidit, se condensant sur les parois du réfrigérant et à la surface du matériau de garnissage. Ici, le condensat continue à être chauffé par les vapeurs chaudes qui s’élèvent, et il se vaporise une fois de plus. La composition des nouvelles vapeurs est toutefois déterminée par la loi de Raoult. Chaque cycle de vaporisation-condensation (appelé plateau théorique) donnera une plus pure solution du composé le plus volatile. En réalité, chaque cycle à une température donnée n’a pas lieu à la même position exactement dans la colonne à fractionner, le plateau théorique est donc plus un concept qu’une réalité concrète.
Plus on augmente le nombre de plateaux théoriques, meilleure est la séparation. Le garnissage se trouvant à l’intérieur de la colonne de fractionnement a cette utilité. Il est souvent constitué d’un système d’anneaux vrillés, faits de téflon ou de métal, ce afin d’augmenter la surface de contact entre la vapeur et le condensat liquide. Ceci améliore les échanges entre les phases pour un volume de colonne donné et permet ainsi d’augmenter le nombre de plateaux théoriques.
Hydrodistillation ou Entraînement à la vapeur
Figure 2 : Hydrodistillation. Référence : http://en.wikipedia.org/wiki/Steam_dis- tillation (dernier accès en mars 2008).(Schéma modifié)
Comment l’hydrodistillation fonctionne-t-elle ?
L’hydrodistillation, aussi appelée entraînement à la vapeur, est une méthode servant à distiller des composés sensibles à la chaleur. Ce procédé implique l’utilisation de vapeur surchauffée (ou vapeur vive) qui sera injectée dans le liquide brut (le liquide organique à distiller). Selon la loi de Raoult, certains des composés ciblés vont s’évaporer, en accord avec leur pression partielle. Le mélange de vapeur est refroidi et condensé, et généralement on obtiendra une couche huileuse ou organique ainsi qu’une couche aqueuse.
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Distillation sous pression réduite
Figure 3 : Appareil de distillation sous pression réduite
Certains composés ont de très hauts points d’ébullition. Pour amener ces composés au point d’ébullition, il est souvent préférable de réduire la pression plutôt que d’augmen- ter la température. Une fois la pression abaissée à la pression de vapeur du composé (à une température donnée), l’ébullition ainsi que le reste du processus de distillation peut débuter. Cette technique fait référence à la distillation sous pression réduite et ce procédé est souvent opéré en laboratoire à l’aide d’un évaporateur rotatif.
La distillation sous pression réduite est utile pour les mélanges qui ont un point d’ébullition plus élevée que leur température de décomposition à la pression atmos- phérique et qui se décomposeraient si l’on tente de les amener à ébullition sans avoir au préalable abaissé la pression.
Chromatographie
Théorie sur la chromatographie
La chromatographie est un procédé de séparation basé sur les différences d’affinité des substances à analyser à l’égard de deux phases, une phase stationnaire et une phase mobile.
Ces composantes contenues dans la phase stationnaire sont retenues plus longtemps dans le système que celles qui sont distribuées sélectivement dans la phase mobile.
En conséquence, les solutés sont élués du système à différents temps, selon l’ordre croissant de leurs coefficients de distribution dépendamment de la phase stationnaire ; c’est de cette façon que la séparation s’accomplit.
Les échantillons peuvent être de nature gazeuse, liquide ou solide et peuvent varier de simple mélange de deux énantiomères à mélange complexe contenant plusieurs substances chimiques de types très différents. Qui plus est, l’analyse peut être faite moyennant des coûts très élevés et une instrumentation complexe ou encore très simplement sur une plaque de couche mince très peu coûteuse. La chromatographie constitue le fondement d’un très grand nombre de techniques analytiques. Cette partie du module présente les techniques chromatographiques les plus courantes et leurs applications.
Le processus d’entraînement
L’entraînement (ou développement du chromatogramme) est le terme utilisé pour décrire la façon dont les composantes d’un mélange sont séparées durant le procédé chromatographique. Il y a trois méthodes de base : le développement frontal, le développement par déplacement, et l’élution. La plupart des développements chro- matographiques analytiques se font par élution.
Processus d’élution
L’élution peut être décrite telle qu’une série de processus d’absorption-extraction continus à partir du moment où l’échantillon est injecté ou déposé dans le système chromatographique jusqu’au temps où le soluté en est extrait. Le processus d’élution est illustré dans la figure représentée ci-dessous.
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Figure 4 : Le processus d’élution.
À mesure que le soluté pénètre dans la phase mobile du système chromatographique, sa concentration s’accroît et devient supérieure à la limite requise (concentration d’équilibre) à la le soluté passe dans la phase stationnaire. Le soluté commence im- médiatement à entrer dans la phase stationnaire. Le soluté commence immédiatement à entrer dans la phase stationnaire. Puisque la quantité de phase mobile atteint la phase stationnaire augmente régulièrement alors la concentration en soluté de cette dernière augmente jusqu‘à atteindre la concentration d’équilibre et commencera à désorber, c’est-à-dire retourner dans la phase mobile. De là, le soluté sera entraîné plus loin dans (ou sur) la phase stationnaire.
La phase mobile va continuellement faire progresser le profil de concentration du soluté dans la phase stationnaire, les concentrations dans les deux phases étant constamment en relation. Ceci est illustré grossièrement en figure 4.
Ce déplacement amène la concentration du soluté de la phase mobile au devant du pic (fig. 4) à excéder la concentration d’équilibre requise dans la phase stationnaire.
En conséquence, une bonne quantité de soluté dans la partie avant du pic (voir figure 4) sort de la phase mobile et pénètre continuellement la phase stationnaire, tentant de rétablir l’équilibre. À l’arrière du pic (fig. 4), c’est la réaction inverse qui se pro- duit : à mesure que le profil de concentration de soluté progresse, la concentration de soluté dans phase stationnaire à l’arrière du pic devient en excès par rapport à la concentration à l’équilibre.
Une quantité de soluté doit alors quitter la phase stationnaire et entrer dans la phase mobile afin de rétablir l’équilibre. Ainsi, le soluté progresse à travers le système chromatographique, suite à l’entrée de soluté dans la phase mobile à l’arrière du pic et à son retour dans la phase stationnaire à l’avant du pic. Le soluté est toutefois toujours en transfert entre les deux phases à travers le pic entier, tentant sans cesse d’atteindre ou de maintenir l’équilibre thermodynamique.
En résumé, la bande de soluté progresse à travers le système chromatographique suite à un transfert net de soluté de la phase mobile dans la phase stationnaire dans la moitié avant du pic. Ce transfert net de soluté est compensé par le passage de soluté de la phase stationnaire jusqu’à la phase mobile dans la moitié arrière du pic.
Efficacité de la séparation chromatographique
La distribution des analytes (A) entre les phases peut être décrite de façon assez simple. Un analyte (soluté) est en équilibre entre les deux phases :
APhase mobile APhase stationnaire
La constante d’équilibre, K, est appelé le coefficient de partage. Il se définit comme étant le rapport de la concentration molaire de l’analyte dans la phase stationnaire sur la concentration molaire de l’analyte dans la phase mobile.
Le temps entre l’injection de l’échantillon dans le système et l’atteinte du détecteur par le pic d’analyte est appelé temps de rétention (tr). Chaque soluté ou analyte contenu dans l’échantillon injecté aura un temps de rétention différent. Le temps nécessaire à la phase mobile pour passer à travers la colonne est appelé temps mort (tm).
Figure 5 : Les concepts de temps de rétention et de temps mort
Une variable appelée facteur de rétention (parfois appelé facteur de capacité), k’, est souvent utilisée pour décrire le taux de migration d’un analyte sur une colonne.
k’ varie avec la force d’élution du solvant; quand celle-ci augmente, k’ diminue. Le facteur de rétention de l’analyte A est défini comme suit : k’A = (t r – tm) / tm
Les constantes t r et tm sont obtenues facilement à partir du chromatogramme. Lorsque le facteur de rétention d’un analyte est inférieur à 1, alors l’élution est si rapide que la détermination du temps de rétention est très difficile. Les facteurs de rétention élevés (supérieurs à 20), indiquent une élution très longue. Idéalement, le facteur de rétention pour un analyte se situe entre 1 et 5.
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La quantité α, appelée facteur de sélectivité, décrit la séparation de deux substances (A et B) sur la colonne : α = k ‘B / k ‘A
Lors du calcul de α, l’analyte A élue plus rapidement que l’analyte B. Le facteur de sélectivité α est toujours supérieur à 1.
Élargissement des pics et efficacité de colonne
Pour une séparation optimale, l’obtention de pics nets (effilés) et symétriques est nécessaire. Cela signifie que les causes de l’élargissement des pics doivent être mi- nimisées le maximum possible.
Modèle des plateaux théoriques en chromatographie
Le modèle des plateaux théoriques suppose que la colonne chromatographique contienne un grand nombre de niveaux distincts, on les appelle plateaux théoriques.
Les équilibrations de l’échantillon séparées entre les deux phases mobile et stationnaire se produit sur ces plateaux. L’analyte traverse la colonne par transfert de la phase mobile à l’équilibre d’un plateau à l’autre.
Figure 6 : Le concept des plateaux théoriques
Les plateaux de la colonne sont un concept théorique pour la mesure de l’efficacité de la colonne, soit en établissant le nombre de plateaux d’une colonne, N (plus il y a de plateaux, mieux c’est), ou la hauteur d’un plateau (la hauteur équivalent à un plateau théorique, HEPT), (plus la hauteur est petite, mieux c’est).
Si la longueur de la colonne est définie comme L, alors la HEPT est : HEPT = L/N
Le nombre de plateaux théoriques réellement contenus dans une colonne peut être trouvé en examinant le pic chromatographique après l’élution :
Où w1/2 correspond à la largeur du pic à mi-hauteur.
Tel que suggéré par l’équation ci-dessus, les colonnes se comportent comme si leur nombre de plateaux théoriques changeait en fonction des différents solutés d’un mélange.
Théorie dynamique de la chromatographie
Voici une description plus réaliste du processus s’opérant à l’intérieur de la colonne qui prend en compte le temps nécessaire au soluté pour atteindre l’équilibre entre les phases mobile et stationnaire (contrairement au modèle des plateaux théoriques qui assume que l’arrivée à l’équilibre est infiniment rapide). La forme du pic chro- matographique résultant est ainsi affectée par la rapidité d’élution. La forme du pic est également influencée par le fait que plusieurs chemins différents peuvent être empruntés par les molécules de soluté lorsqu’elles progressent entre les particules de la phase stationnaire. Si l’on considère les nombreux phénomènes contribuant à l’élargissement des pics, on obtient l’équation de Van Deemter pour la hauteur des plateaux :
HETP = A + B / u + C u
Où u est la vitesse moyenne de la phase mobile. A, B, et C sont trois facteurs qui contribuent à l’élargissement des pics ; ils sont expliqués ci-dessous.
A – Diffusion d’Eddy ou diffusion turbulente
La phase mobile progresse dans la colonne remplie de phase stationnaire. Les molécu- les de soluté prendront différents chemins au hasard à travers les particules contenues dans la phase stationnaire. Puisque les différents chemins empruntés seront de lon- gueurs variables, cela occasionnera un élargissement du pic chromatographique.
B – Diffusion longitudinale
À cause du flux chromatographique, la concentration de l’analyte est moindre sur les bords de la colonne qu’en son centre, de même que les particules au centre du flux chromatographique progressent plus rapidement. L’analyte diffuse du centre vers les côtés, ce qui cause un élargissement du pic. Lorsque la vitesse de la phase mobile est élevée, alors l’analyte reste moins longtemps sur la colonne et cela diminue l’effet de diffusion longitudinale.
C - Résistance au transfert de masse
L’analyte prend un certain temps pour arriver à l’équilibre entre la phase mobile et la phase stationnaire. Si la vitesse de la phase mobile est élevée et que l’analyte a une forte affinité pour la phase stationnaire, alors la phase mobile va se placer au devant de l’analyte à l’intérieur de la phase stationnaire. Le pic chromatographique de cet analyte s’en trouvera élargi. Plus la vitesse de la phase mobile est élevée, moins les molécules peuvent pénétrer dans la phase stationnaire. Dans ce cas, l’équilibre n’est pas favorisé, la colonne devient moins performante et l’élargissement du pic augmentera.
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Courbe de Van Deemter
Voici un graphique illustrant la relation entre la hauteur du plateau théorique versus la vitesse moyenne linéaire de la phase mobile :
Figure 7 : Graphique de la Courbe de Van Deemter
Des courbes comme celles-ci sont d’une grande utilité pour déterminer la vitesse optimale de flux de la phase mobile.
Résolution
Même si le facteur de sélectivité α décrit la séparation des centres des pics, il ne tient pas compte de la largeur de ces pics. La mesure de la résolution est une autre mesure de la bonne séparation des pics. La résolution de deux pics de solutés, A et B, est définie ainsi :
La résolution de ligne de base est atteinte lorsque R = 1,5.
Il est utile de faire le lien entre la résolution, le nombre de plateaux théoriques de la colonne, le facteur de sélectivité et le facteur de rétention de deux solutés :
Afin d’obtenir une haute résolution, les trois variables doivent être maximisées. Une augmentation de N (nombre de plateaux théoriques), en allongeant la colonne mène à une augmentation du temps de rétention et un élargissement du pic – qui n’est pas souhaitable. À la place, afin d’augmenter le nombre de plateaux théoriques, la hauteur équivalente au plateau théorique (HEPT) peut être réduite en diminuant la taille des particules de la phase stationnaire.
