Chimie Analytique II. La chromatographie ionique

Dimension: px

Commencer à balayer dès la page:

Download "Chimie Analytique II. La chromatographie ionique"

Jean-Michel Chénier
il y a 7 ans
Total affichages :

1 Chimie Analytique II La chromatographie ionique Daniel Abegg Nicolas Calo Emvuli Mazamay Pedro Surribare Université de Genève, Science II, Laboratoire 144 Groupe 4 29 décembre 2008 Résumé Nous avons utilisé la chromatographie ionique pour quantifier la concentration des anions F, Cl, Br, NO 2, NO 3, PO 3 4 et 4 ans deux eaux commerciales : St. Yorre et Evian et dans deux échantillons d eaux prévenantes de la région genevoise : Le Leman et Nappe de l Arve. Les résultats ont été discutés et comparés avec les valeurs standards recommandées par l OMS pour la potabilité de l eau. Introduction La chromatographie ionique est une des méthodes employée en chimie pour l analyse des constituants des mélanges complexes et des solutions. Elle se repose sur un principe de différence de taille et de charge les ions d un échantillon et du système de mesure comprenant des phases stationnaire et mobile. Une mesure de la conductivité électrique permet une détection des entités ioniques. Un suppresseur chimique est utilisé pour réguler et optimiser le signal étudié. Le but de ce TP est de se familiariser avec les parties d un appareillage de chromatographie ionique, de procéder à la préparation et à l analyse des anions de 2 solutions d étalons ainsi qu à celle de quelques échantillons d eau de diverse provenance puis de comparer leur composition aux critères de potabilité. 1

Yorre et Evian et dans deux échantillons d eaux prévenantes de la région genevoise : Le Leman et Nappe de l Arve.

2 Méthodologie Deux étalons avec des concentrations connues en anions sont préparées et servent vérifier l étalonnage de l appareil. anion Cétalon A [mg/l] Cétalon B [mg/l] F 0.5± ±0.10 Cl 10± ±0.07 NO 2 0.5±0.02 1±0.04 Br 1.0±0.02 2±0.04 NO 3 2.0± ±0.05 PO 4 3.0± ± ± ±0.11 Tab. 1 Concentration des différents anions dans les deux solutions étalons Puis la tenueur en anions de 4 échantillons d eau (Migros, Evian, Nappe de l Arve et St Yorre) sont analysés grâce à la colonne de chromathographie et comparé aux valeurs labélées. Caractéristiques de l appareillage L appareil utilisé dans ce TP est de modèle Compact IC 761 Metrohm., le module du suppresseur chimique est de composition : [H 2 SO 4 ] = mol/l et l eau distillée. La colonne de séparation pour anions est de type : METROSEP A SUPP 5 (L = 150 mm, DI =4 mm et diamètre des particules 5 µm) avec une phase stationnaire constituée de particules d alcool polyvinylique comportant à leur surface des groupes ammonium quaternaires. On trouve aussi une boucle d échantillon de 20 µl et la composition de l éluant : [Na 2 CO 3 ] = mol/l, [NaHCO 3 ] = 10 3 mol/l avec un débit = 0.70 ml/min. 2

1 Concentration des différents anions dans les deux solutions étalons Puis la tenueur en anions de 4 échantillons d eau (Migros, Evian, Nappe de l Arve et St Yorre) sont analysés grâce à la colonne

3 Résultats Conductivité théorique du chlore dans l étalon A χ Cl = χ Cl χ E = [χ Cl + χ H + + χ HCO ] χ E = [λ 0 Cl C Cl + [λ0 H +(C Cl + x) + λ0 HCO 3 x] χ E [Cl ] = d [Cl ] 0 = = M Ka = [HCO 3 ][H + ] [H 2 CO 3 ] x = M χ Cl = µs/cm = x ([Cl ] + x) C 0 x Expérimentalement la valeur de µs/cm a été trouvé. = Remarque : La colonne n était pas calibrée pour la détection des anions bromure et nitrites. Solutions étalons d = V A0 V R N = 5.54 S d = χ C A N 2π ( tr W 1/2 anion t R [s] W 1/2 [s] N d χ [ µs cm 0 [ mg µs cm2 ] S l d [ ] λ 0 [ S cm2 ] mol mol F Cl NO Br NO PO Tab. 2 Les données provient de l étalon A sauf pour Br oû les valeurs viennent de l étalon B2. Les concentrations de Br et NO 2 sont les valeurs théoriques. ) 2 Il est observé que la sensibilité augmente de manière linéaire avec les conductivités limites des anions. 3

47 10 7 Remarque : La colonne n était pas calibrée pour la détection des anions bromure et nitrites. Solutions étalons d = V A0 V R N = 5.

4 f(x) = R 2 = Sensibilite [ µs cm 2 mol ] λ 0 i [S cm 2 /mol] Fig. 1 Linéarité de le sensibilité en fonction de la conductivité limite Etalon A Etalon B anion t R [s] χ [µs/cm] C [mg/l] t R [s] χ [µs/cm] C [mg/l] F Cl NO Br NO PO Tab. 3 Résultats des solutions étalons. Les erreurs n augmentent plus car la précision de la colonne de chromatographie est inconnue. Migros St. Yorre Nappe Evian anion C exp C label C exp C label C exp C label C exp C label C limites F Cl Br NO Tab. 4 Résultats des échantillons en mg/l. Les erreurs n augmentent plus car la précision de la colonne de chromatographie est inconnue. L eau Migros est l eau de la cafétéria du bâtiment Science II et est en fait l eau du lac de Genève et Nappe est l eau de la nappe de l Arve[2]. 4

032 329.4 82.56 46.423 NO 2 394.2 0.26 0.500 392.4 0.59 1.000 Br 493.8 0.29 0.167 489.3 0.60 0.362 NO 3 563.1 0.76 2.146 556.8 3.91 9.622 PO 4 736.8 0.19 1.633 738.6 1.12 7.123 4 886.2 2.21 7.549 887.

5 Discussion La vérification de la calibration de l appareil grâce aux étalons nous apprend dans un premier lieu que bien qu il puisse identifier les ions nitrites, il ne peut pas du tout les quantifier. De même, la quantification des ions bromures est très mauvaise. Les concentrations des autres anions détectés sont éloignées des valeurs théoriques de l étalon sauf pour les nitrates. De ce fait une vérification de la colonne avec un échantillon certifié s est avérée nécessaire. Les résultats obtenus sont cohérents mais les concentrations des anions de ce dernier étaient très élevées à l inverse de nos étalons. Ce qui veut dire que la colonne n est par très sensible aux faibles concentrations. Ceci nous fait douter des concentrations des solutions mères préparées mais ils nous est impossible de les vérifier. Conductivité éluant Avant neutralisation χ E = λ 0 Na +C Na + + λ0 C CO 2 3 CO 2 + λ 0 C 3 HCO 3 HCO = 875 µs/cm 3 Après neutralisation [Na + ] = [H + ] tot = [H] lié + [H] = M [H 2 CO 3 ] = [HCO 3 ] + [CO 2 3 ] = C 0 [H 2 CO 3 ] [H + ] + [HCO 3 ] = M [H + ] = [HCO 3 ] = x Ka = [HCO 3 ][H + ] [H 2 CO 3 ] x = M = x2 C 0 x χ E = λ 0 H +C H + + λ0 HCO 3 C HCO 3 = = µs/cm La conductivité de l éluant expérimentale est égale à µs/cm. La réduction d environ 50 fois de la conductivité de l éluant après la neutralisation montre bien l utilité du suppresseur chimique lors de la chromatographie. En effet, plus la conductivité de ce premier est faible et plus il sera facile de détecter une variation de la conductance et par la même occasion l arrivée des anions au bout de la colonne. Néanmoins, l utilisation du suppresseur comporte quand même un désavantage car il est alors impossible de mesurer la concentration en carbonates des solutions étudiées, ceux-ci ayant été transformé en espèce neutre et donc n ayant pas de conductivité. 5

De ce fait une vérification de la colonne avec un échantillon certifié s est avérée nécessaire.

6 L analyse du contenu des différentes eaux, minérale ou du robinet, donne des valeurs proches de celles indiquées sur leurs étiquettes ou le site internet des SIG[2]. Comme on pouvait le prévoir à partir du calibrage, la détection des fluorures est assez mauvaise pour de faibles concentrations (moins de 1 mg/l) mais devient très précise pour des concentrations de l ordre de 10 mg/l. Les faibles concentrations sont aussi mal détectées pour les autres anions sauf pour les nitrates qui comme lors de la calibration sont très bien quantifiés en dessous de 10 mg/l. Les eaux analysées sont toutes dans les normes sauf la St-Yorre qui présente des taux trop élevés d halogénures. Il est donc recommandé de ne pas en abuser et de ne pas l utiliser pour l alimentation des enfants en bas âge. On peut aussi remarquer qu aucune des eaux analysées ne contient de nitrites, espèce la plus dangereuse pour la santé pouvant être détectés, ce qui est rassurant quant à la potabilité de ces eaux. D après la chromatographie des étalons, on peut déterminer les paramètres influant sur la vitesse d élution des ions. Ainsi, on voit bien que les ions de grosse taille et de charge élevées sont les plus retenus car l interaction dipolaire entre la phase stationnaire et ces derniers est plus grande. On peut se demander pourquoi les phosphates qui sont les plus chargés des ions détectés et d une taille comparable aux sulfates ne sortent pas en dernier. En fait, les phosphates ne sont pas sous la forme PO 3 4 dans la colonne mais en H 2 PO 3 à cause de l acidité de la phase mobile. Cela réduit donc la charge de l ion à la moitié de celle des sulfates, ce qui leur permet de sortir plus tôt que ces derniers. Concernant les halogénures, on constate que plus ils sont petits et plus ils sortent tôt. Cela est dû au fait que les petits ions sont plus hydratés à cause d une charge moins diffuse et que de ce fait, deviennent plus gros et empruntent un chemin plus direct dans la colonne. Un phénomène intéressant que l on observe est que le ph de l éluant diminue au cours du temps et cela a un effet sur les temps de rétention des analytes. Ceci est dû au fait que les molécules de CO 2 dans l air se dissolvent dans l éluant ce qui entraîne la formation, avec l eau, d acide carbonique. La diminution du ph réduit la concentration de l anion bicarbonate par conséquence les analytes sont retenus d avantage dans la phase stationnaire. Conclusion Dans cette expérience, nous avons observé dans un premier temps que la colonne détecte mal la plupart des anions à faible concentration, ce qui nous été préjudiciable pour l analyse des échantillons d eau potable. Néanmoins toutes les eaux analysées rentrent dans les normes de potabilité sauf pour la St. Yorre dont les halogénures qui étaient au dessus du seuil fixé par l OMS. Les concentrations trouvée expérimentalement correspondent aux valeurs indiquées sur les bouteilles d eau ainsi que celles des SIG. A cause du fonctionnement de la colonne il est impossible de déterminer la concentration des carbonates et il sera nécessaire d utiliser une autre méthode comme la titration. 6

l ordre de 10 mg/l. Les faibles concentrations sont aussi mal détectées pour les autres anions sauf pour les nitrates qui comme lors de la calibration sont très bien quantifiés en dessous de 10 mg/l.

7 Références [1] M. Borkovec. Protocole des travaux partique de chimie analytique II : La chromatographie ionique, [2] Services Industriels de Genève (SIG). Composition de l eau. http: // composition-eau/index.lbl

chromatographie ionique, 2008. [2] Services Industriels de Genève (SIG).

Documents pareils

Le ph, c est c compliqué! Gilbert Bilodeau, agr., M.Sc.

Le ph, c est c compliqué! Gilbert Bilodeau, agr., M.Sc. Le ph, c est c pas compliqué! Gilbert Bilodeau, agr., M.Sc. Conseiller en serriculture Des réponses r aux questions C est quoi et pourquoi c est c important? Conséquences d un d débalancementd? Comment