Organisation des enseignements Chimie en S3 et S4

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1 Organisation des enseignements Chimie en S3 et S4 Modules d'enseignements de Chimie M3303 : Techniques Spectroscopiques (Johan Alauzun S3) M4104 : Analyses Électrochimiques (Olivier Fontaine fin S3) et Méthodes Chromatographiques (Christelle Nguefack début S3) Organisation des TP (bâtiment H Chimie, RDC) Responsable TP : Stella Lacour (stella.lacour-cartier@umontpellier.fr) Fonctionnement en groupes TP, séance une semaine sur 2 pour chaque groupe TP voir l'edt Démarrage la semaine prochaine! : faire les binômes cette semaine Série 1 'Spectro/Chromato' : 4 TP tournants (4h) puis 1 partiel pratique de 2h /étudiant démarrage début S3 (amener blouse/lunettes/propipette) Série 2 'Électrochimie' : 4 TP tournants (4h) puis 1 partiel pratique de 2h /étudiant milieu S3 et début S4.

2 INTRODUCTION AUX METHODES CHROMATOGRAPHIQUES Chromatographie = séparation, identification et dosage des constituants chimiques d'un mélange complexe Analyse qualitative et quantitative UV-Visible 7% RMN 7% Autres méthodes 9% HPLC 30% Infra-rouge 11% Spectrométrie de masse 14% Autres méthodes chromatographiques 5% CPG 17%

3 I. Aspects Généraux 1- Principe de la Chromatographie Phase Mobile = Eluant A + B B A B Phase Stationnaire A B Détecteur A B Chromatogramme t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 Un chromatogramme est caractérisé par : La position des pics La largeur des pics Facteurs de Rétention Facteurs de Résolution

4 2- Facteurs de Rétention S phase mobile S phase stationnaire K Nernst = Cs Cm = Conc. du soluté dans la phase stationnaire Conc. du soluté dans la phase mobile = Coefficient de distribution de Nernst t M = temps mort ou temps nécessaire pour qu un soluté non retenu traverse la colonne t R = temps de rétention idéal t R = temps de rétention réel = t R - t M Facteur de Rétention k Facteur de Séparation k = t R - t M t M t R = tm k A = = k B t A R t R B

5 3- Facteurs de Résolution a) Efficacité d une colonne : Modèle des plateaux L : longueur de la colonne, N : nombre de plateaux théoriques H : hauteur équivalente à un plateau théorique (HEPT) H = L N t R N = 16 = 5.54 ( ) ( ) t R, et en unité de temps. t R : largeur du pic à sa base, : largeur du pic à mi-hauteur.

6 Rappel sur les courbes de Gauss 68.3 % de l aire du pic est comprise entre +s et -s 95.5 % de l aire du pic entre +2s et -2s En chromatographie est la largeur de la base du pic et la largeur du pic à mi-hauteur = 2,35 s = 4 s = 1,7

7 Mesure de l aire des pics en chromatographie : - Par «triangulation» manuelle - Par intégration automatique A = H A = 1/2 H

8 b) Résolution d une colonne Facteur de résolution = R R = 2 t R2 - t R = 2 t R2 - t R R = 1 / 4 N - 1 k k 2 k 2 : facteur de rétention du soluté le plus lent.

9 c) Équation de Van Deemter Aspect cinétique prenant en compte la vitesse de la phase mobile H = A + B u + C u u opt. = B C u : vitesse linéaire moyenne d écoulement, A, B et C : coefficients expérimentaux reliés à la colonne.

10 d) Optimisation d une chromatographie résolution O capacité vitesse O = meilleur compromis entre K, N, k, R et Analyse qualitative : identification des espèces grâce à leur temps de rétention Analyse quantitative : dosage possible grâce au calcul de la surface des pics

11 II. Chromatographie en Phase Gazeuse (CPG) Gaz Vecteur Injecteur Colonne Détecteur Four Intégrateur

12 1- Gaz Vecteur Phase Mobile Azote N 2 ou Hélium He sec Débit : 1 à 25 ml / min 2- Injecteur Septum Seringue Gaz Vecteur Insert Vaporisation instantanée du mélange T injecteur > T ébullition du mélange Colonne

13 3- Colonne Placée dans un four ventilé T colonne > T ébullition du mélange Trois types de colonnes : a) Colonnes remplies en acier (diamètre 3.18 ou 6.35 mm - longueur 1 à 3 m) b) Colonnes capillaires (diamètre 0.10 à 0.35 mm - longueur 15 à 100 m) c, d) Colonnes wide-bore (diamètre 0.53 mm - longueur 5 à 50 m)

14 4- Phase Stationnaire Faible tension de vapeur, grande stabilité thermique (T eb f > 100 T eb mélange), inertie chimique a) Phase Liquide -1- Polysiloxanes (gommes de silicone) Stables jusqu à C La polarité varie en fonction de la nature des groupements R et R et de leur % O R R R' O Si O O Si R m O Si R m O Si R' n -2- Polyéthylèneglycols O CH 2 CH 2 n b) Phase Solide Matériaux adsorbants: Silice SiO 2, Alumine AlO 2, Verres, Polymères poreux

15 5- Détecteur Grande sensibilité, grande stabilité thermique, réponse linéaire avec un temps de réponse rapide a) Détecteur à Conductibilité Thermique (TCD) ou catharomètre La variation de la résistance du filament est proportionnelle à la concentration des substances analysées

16 b) Détecteur à Ionisation de Flamme (FID) Très utilisé pour détecter des composés organiques La tension mesurée est proportionnelle à la concentration des produits Electrode Collectrice Intégrateur Brûleur Air H 2 Colonne

17 III. Chromatographie Liquide Haute Performance (HPLC) Eluant Pompe Injecteur Colonne Détecteur Intégrateur

18 1- Solvant ou phase mobile Le solvant est introduit dans la colonne par l intermédiaire d une pompe Débit : 0.1 à 10 ml / min Pression max. : 350 bars Solvants utilisés : Eau H 2 O, Méthanol CH 3 OH, Acétonitrile CH 3 CN Un seul solvant = mode isocratique Plusieurs solvants = gradient d élution

19 2- Injecteur L injection doit être rapide afin de ne pas perturber la dynamique de la colonne Pompe Pompe " Poubelle " Colonne Colonne Seringue Boucle Load Inject

20 3- Colonne Tube droit en acier inox Longueur : 3 à 25 cm / Diamètre interne : 0.5 à 5 mm

21 4- Phase stationnaire Gel de silice transformé SiO 2 (H 2 O) n avec n proche de 0 EtO OEt OEt Si OEt H 2 O SiO 2 urée, formol, ph = 2 matrice polymère Chauffage O 2 Groupements OH : Caractère acide (pk a = 10) Surface Spécifique : de 5 à 350 m 2 g -1

22 Les silices greffées Gels de silices transformées Phases monomériques Epaisseur de 10 à 15 mm OH OH ClSiMe 2 R O OH SiMe 2 R OH O SiMe 2 R gel de silice R = C 8 H 17 ('C 8 '), C 18 H 37 ('C 18 ') Phases polymériques Epaisseur 25 mm OH OH OH Cl 2 SiMeR H 2 O Me Me O O Si... Si R OH R Me O Si O Me R Si... gel de silice R

23 Les interactions entre phases stationnaires et phases mobiles

24 5- Détecteur Détecteur UV-visible (loi de Lambert-Beer) Détection monochromatique Source au Deutérium ou à vapeur de Hg Monochromateur pour isoler une bande passante étroite (10 nm) ou une raie (254 nm du Hg) Détection polychromatique

25 6- Chromatographie de Partage Phase mobile liquide Phase stationnaire = solvant immobilisé sur grain de silice par adsorption physique ou par des liaisons chimiques, et se comportant comme un liquide Temps Rétention = f(coefficient de Distribution de Nernst) Phase mobile : soluté Si Phase stationnaire : solvant immobilisé sur silice Si-(CH 2 ) 17 CH 3

26 IV. Autres méthodes chromatographiques 1- La chromatographie ionique (CI) Phase mobile aqueuse où les solutés sont sous forme ionique Phase stationnaire = résine échangeuse d ions Colonne à rétention d une espèce cationique M + [Résine-SO 3 ] -, H + + Eluant-M + [Résine-SO 3 ] -, M + + Eluant-H + Colonne à rétention d une espèce anionique A - [Résine-NR 3 ] +, OH - + Eluant-A - [Résine-NR 3 ] +, A - + Eluant-OH - N N E E A - N N A - E E N N E E A - N N E A - E N E N E N E N E N = groupement ammonium E = contre-anion A = anion à analyser = sens de l'élution

27 Les résines Les copolymères de synthèse Particules sphériques de mm n n SO 3 - H + NR 3 + OH - Les silices greffées Obtenues par fixation de liaisons covalentes de chaînes aromatiques à groupements sulfonés ou ammonium Les éluants Solutions aqueuses chargées d ions salins ou organiques avec si nécessaire un peu de méthanol ou d acétone pour faciliter la dissolution des solutés

28 2- La chromatographie planaire ou en couche mince (CCM) Cuve à CCM Plaque de CCM Eluant Front de solvant Fine couche de f stationnaire ( mm) : silice modifiée d 0 d B Plaque de verre, de plastique ou d'aluminium d A Dépôt d'un mélange de solutés A et B

29 Le rapport frontal R f est une caractéristique donnée pour chaque couple (soluté, éluant) Les formules générales de chromatographie peuvent s appliquer à la CCM R f = distance parcourue par le soluté distance parcourue par le solvant = d i d 0 N = 16 ( d i ) 2 d i H = R = 2 N d B - d A B + A

30 3- La chromatographie d exclusion stérique (CES) Séparation basée sur la taille des molécules Les plus grosses molécules sont éluées en premier, les plus petites étant retenues au sein de la phase stationnaire Méthode rapide pour déterminer la masse molaire des composés étudiés 4- La chromatographie en fluide supercritique (SFC) Un fluide supercritique a l aspect d un liquide et les caractéristiques d un gaz Il est caractérisé par sa température critique T c et sa pression critique P c Les fluides supercritiques permettent de dissoudre les grosses molécules Exemple : Dioxyde de carbone CO 2 T c = 31 C / P c = 7400 kpa

31 V. Conclusion Masse molaire des analytes étudiés M < 500 CPG ionique CI, HPLC hydrosoluble non ionique HPLC M < 2000 polaire HPLC organosoluble non polaire HPLC M > 500 hydrosoluble CES HPLC CI M > 2000 organosoluble CES