La lumière au service de l analyse chimique Le dosage des phosphates dans la Meuse

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Aurore Chevalier
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1 La lumière au service de l analyse chimique Le dosage des phosphates dans la Meuse LL01 DOSSIER PEDAGOGIQUE Par Mégane Bellem, Damien Granatorowicz, Allison Serlez et Carine Stegen

2 La lumière au service de l analyse chimique Le dosage des phosphates dans la Meuse Cette année, la section Chimie de la Haute École de la Ville de Liège participe pour la 12ème fois au Printemps des Sciences. Les étudiants de 2ème année en Chimie Industrielle et Chimie de l'environnement vous proposent une activité dont le thème sera l'analyse des phosphates par colorimétrie, une méthode qui met en œuvre la lumière visible pour quantifier la présence d'une substance colorée en solution. Nous verrons également comment établir une droite d'étalonnage afin de doser un échantillon d'eau de Meuse. Ce sera l'occasion aussi d'examiner le cycle du phosphore et des conséquences de son déséquilibre causé par les activités humaines. Enfin nous examinerons les autres techniques utilisées en Chimie et qui mettent à profit les propriétés de la lumière.

3 La lumière au service de l analyse chimique PLAN DE LA SEANCE Accueil des visiteurs Préparation des solutions d'analyse Diaporama Mesures au spectromètre Mesures des solutions étalons Mesure de l'échantillon de Meuse Établissement de la droite d'étalonnage Détermination des phosphates dans la Meuse Diaporama suite et fin Questions / réponses

4 Description de la manipulation

Description de la manipulation 1) Préparation des échantillons ACIDE ASCORBIQUE = Vitamine C REACTIF : Solution d'acide sulfurique + solution de molybdate d'ammonium + solution de tartrate double

5 Description de la manipulation 1) Préparation des échantillons ACIDE ASCORBIQUE = Vitamine C REACTIF : Solution d'acide sulfurique + solution de molybdate d'ammonium + solution de tartrate double d'antimoine et de potassium BLANC : L'eau pure (sans phosphates) absorbe une partie du rayonnement Pour éviter cette interférence, on effectue une mesure préalable de l'eau pure servant à préparer les solutions L'appareil déduira ensuite le signal relatif à celle-ci pour ne laisser apparaître que les absorptions liées à la présence des phosphates

6 Description de la manipulation 2) Mesure des absorbances La source lumineuse de l'appareil balaie une gamme de longueur d onde comprise entre 200 et 800 nanomètres (nm) (1/ mètre) Ce domaine spectral chevauche trois plages du spectre électromagnétique appelées UV proche ( nm), visible ( nm) et très proche infrarouge ( nm) Pour cette expérience, la longueur d'onde utilisée est égale à 710 nm

7 Description de la manipulation 2) Mesure des absorbances Un rayon lumineux est envoyé vers une cellule contenant un échantillon Une partie du rayon lumineux va être absorbée L absorption dépend de la quantité de phosphates contenue dans l échantillon Plus la solution est colorée, plus elle absorbe le rayon lumineux L absorbance mesure la capacité d un milieu à absorber la lumière qui le traverse Il s'agit d'une grandeur sans unité donnée par la relation : A = log (I0 / I) I0, intensité du rayon lumineux initial I, intensité du rayon lumineux final

8 Les phosphates et l'environnement 1) Les phosphates dans les biomolécules

9 Les phosphates et l'environnement 1) Les phosphates dans les biomolécules ENERGIE

10 Les phosphates et l'environnement 1) Les phosphates dans les biomolécules

11 Les phosphates et l'environnement 1) Les phosphates dans les biomolécules

12 Les phosphates et l'environnement 2) Le cycle du phosphore A l'origine, tout le phosphore se trouvait dans le magma Par la dégradation des roches sur les continents, le phosphore est peu à peu transféré vers les océans Il sédimente au fond des océans et retourne, très lentement, aux continents grâce à la tectonique des plaques Un autre retour, très faible, est possible par le guano des oiseaux marins

13 Les phosphates et l'environnement 2) Le cycle du phosphore Le phosphore contenu dans le sol est absorbé par les plantes et transféré aux animaux par leur alimentation Une partie, provenant des excréments des animaux et de la matière organique morte, est recyclée au niveau de l'écosystème local Le reste est transporté vers les océans par les fleuves

14 Les phosphates et l'environnement 3) La pollution par les phosphates L'homme perturbe le cycle du phosphore : Engrais (phosphates provenant des roches) Excréments issus des élevages industriels Détergents Rejets d'eaux usées non-épurées Rejets des stations d'épuration peu performantes

15 Les phosphates et l'environnement 3) La pollution par les phosphates Eutrophisation Dystrophisation des cours d'eau

16 Les phosphates et l'environnement 3) La pollution par les phosphates Eutrophisation Dystrophisation des littoraux

17 Les phosphates et l'environnement 3) La pollution par les phosphates Eutrophisation Dystrophisation des littoraux

18 Les phosphates et l'environnement 3) La pollution par les phosphates Eutrophisation Dystrophisation Les phosphates (+ les nitrates) jouent le rôle d'engrais pour le milieu aquatique Développement accéléré des algues Les algues mortes sont consommées par des bactéries qui prolifèrent Ces bactéries consomment l'oxygène dissous dans l'eau Des composés toxiques se développent : CH4, H2S, NH3 Le milieu est privé d'oxygène

19 Les phosphates et l'environnement 3) La pollution par les phosphates Eutrophisation Dystrophisation Conséquences : Baisse de la biodiversité de la flore et de la faune Disparition des poissons les plus fragiles : truites, saumons, ombles,... Baisse de l'intérêt social et touristique de l'eau (pêche, activités nautiques) Altération de la qualité de l'eau pour sa potabilisation Risque d'envasement et de disparition de l'écosystème aquatique

20 Les phosphates et l'environnement 3) La pollution par les phosphates Eutrophisation Dystrophisation Eutrophisation : processus naturel très lent Dystrophisation : processus accéléré par l'homme ; eutrophisation extrême Pour une rivière on considère que la prolifération d'algues et la dégradation du milieu commence à partir de 0,2 mg/l-p

21 Droite d'étalonnage L'appareil de mesure ne peut donner une valeur absolue pour le paramètre étudié Il faut lui apprendre à donner la " bonne réponse " On prépare des échantillons dont on connaît avec précision la concentration On établit une série de points (mesure en fonction de la concentration) Ces points décrivent une tendance, une relation mathématique : droite, courbe,... Une fois cette tendance établie, on peut déterminer la concentration inconnue d'un échantillon

22 Droite d'étalonnage DOSAGE PHOSPHATES WPA 0,5 0,45 ABSORBANCE 0,4 0,35 0,3 Échantillon de concentration inconnue 0,25 0,2 0,15 0,1 Concentration connue 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 CONCENTRATION (mg/l) 0,7 0,8 0,9 1

23 Autres techniques " lumineuses " 1) La turbidimétrie La turbidimétrie mesure la turbidité d'un liquide, c-à-d le trouble causé par les matières en suspension présentes dans ce liquide Le principe se rapproche de celui de la spectroscopie UV-Vis Il se base sur la diminution de l'intensité de la lumière suite à la diffusion de celle-ci par les particules présentes dans le liquide On utilise de la lumière blanche ou de la lumière infrarouge

24 Autres techniques " lumineuses " 2) La spectroscopie infrarouge La spectroscopie IR utilise la lumière infrarouge Elle permet une analyse qualitative (reconnaître une substance) ainsi qu'une quantitative (dosage d'une substance) Principe : les molécules absorbent certaines longueurs d'onde qui les font tourner ou vibrer

25 Autres techniques " lumineuses " 3) La fluorescence Cette spectroscopie se base sur l'intensité de la fluorescence d'un échantillon Une lumière UV excite les électrons des molécules analysées Ces molécules réémettent alors de la lumière visible

26 Autres techniques " lumineuses " 4) La réfractométrie Cette technique est basée sur la déviation des rayons lumineux Cette déviation est proportionnelle à la quantité de substance dissoute dans un liquide Elle s'applique couramment pour doser le saccharose La lumière utilisée est jaune (raie D du sodium ; 589 nm)

27 Autres techniques " lumineuses " 5) La spectroscopie des rayons X Les rayons X, vous en connaissez une application!

28 Autres techniques " lumineuses " 6) Spectroscopie Raman 7) Spectroscopie d'émission atomique 8) Spectroscopie d'absorption atomique 9) Résonance magnétique nucléaire (RMN) 10) Spectroscopie gamma, Mössbauer, etc...

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