Etude de Ca 2+ par absorption atomique avec flamme et Dosage de Cd 2+ par absorption atomique sans flamme

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1 Travaux Pratique Chimie Analytique Semestre d hiver 1999 Julien Hutin Laurent Beget Alexandre Myalou Etude de Ca 2+ par absorption atomique avec flamme et Dosage de Cd 2+ par absorption atomique sans flamme I. Introduction : Dans cette expérience, nous allons utiliser deux techniques basées sur le même principe : l absorption. La différence entre ces deux techniques est la méthode de transformation des constituants à analyser en leurs atomes respectifs (sous la forme d un nuage gazeux, à l état électronique fondamental). Ce changement fait de l absorption atomique sans flamme une méthode beaucoup plus sensible. En spectrophotométrie d absorption atomique avec flamme, la solution est aspirée en continu dans un nébuliseur qui la transforme en brouillard fin. Ce brouillard est ensuite aspiré vers le brûleur, où la flamme évapore l eau et casse les molécules en atomes isolés. L instrument utilisé dans cette expérience fonctionne sur le principe du double faisceau, ce qui permet d éviter de subir les fluctuations de la lampe. Les problèmes inhérents à la mesure d un signal vont être mis en évidence lors de la première partie de l expérience, et par la suite, nous mesurerons le calcium contenu dans l eau de l Arve et dans un sérum par étalonnages externe et interne. En spectrophotométrie d absorption atomique sans flamme, un faible volume de solution est injecté dans un four de graphite chauffé électriquement. Par paliers de température, l eau de l échantillon est lentement évaporée, puis la matière organique est carbonisée, et finalement, les sels minéraux sont immédiatement atomisés en leurs atomes individuels. La mesure est effectuée lors de l atomisation.

2 Au cours de cette expérience, nous allons doser le cadmium présent dans l eau de l Arve, le cadmium total et libre présent dans différents échantillons de terres. Absorption atomique avec flamme : II. Appareillage et solutions : Spectrophotomètre (Perkin-Elmer 430) Installation de filtration, avec membranes de porosité 0,45 [µm] en nitrate de cellulose ( 90 [mm]) Solution stock (25 [ml]) de Ca 2+ à 1000 ppm dans HCl à 0,01 [M] Solution stock de HCl à 1 [M] H 3 PO 4, La(NO 3 ).6H 2 O, NaCl, CH 3 CH 2 OH Eau de l Arve fraîchement prélevée Sérum de contrôle lyophilisé III. Optimisation des paramètres instrumentaux : Nous préparons une solution de 100 [ml] contenant 5 ppm de Ca 2+ dans du HCl 10-2 [M] et une autre de 250 [ml] de HCl 10-2 [M]. Nous allumons la flamme du spectrophotomètre, réglons le débit d air à 30 [u] et celui d acétylène à 20 [u]. Nous mesurons l absorbance de la solution de calcium pour des hauteurs de brûleurs allant de 1 tour à 10 tours en réglant A = 0 avec la solution de HCl 10-2 [M]. tour Absorbance 1 0, ,23 3 0, ,27 5 0, ,24 7 0,2 8 0,152 Nous choisissons 4 tours comme hauteur optimale (cf. graphique 1), elle a, en effet, l absorbance la plus élevée. La flamme est composée d une zone oxydante et d une zone réductrice (où le Ca 2+ est réduit en Ca 0 ) et son efficacité est maximale à 4 tours. A 4 tours, nous mesurons l absorbance de la solution de Ca 2+ à 5 ppm pour des débits d acétylène allant de 10 [u] à 22 [u] en réglant A = 0 avec la solution de HCl 10-2 [M]. Débit Absorbance d'acétylène [u] 10 0, ,027

3 16 0, , ,291 Nous remarquons que le débit optimal de l acétylène sans présence d éthanol est de 22 [u] (cf. graphique 2), ce qui signifie que plus le débit d acétylène est élevé, plus la chaleur sera élevée et plus le signal sera fort. Donc nous utiliserons le débit d acétylène le plus élevé. Nous préparons une solution de 100 [ml] contenant Ca 2+ à 5 ppm dans du HCl à 10-2 [M] et CH 3 CH 2 OH à 50% (v/v) ainsi qu une solution de 100 [ml] contenant HCl à 10-2 [M] et CH 3 CH 2 OH à 50%. Aux conditions optimales découvertes précédemment, nous mesurons l absorbance de la solution de calcium dans de l éthanol pour des débits d acétylène allant de 10 [u] à 22 [u], en réglant A = 0 avec la solution de HCl à 10-2 [M] et CH 3 CH 2 OH à 50%. Nous traçons A=f(débit d acétylène) débit Absorbance d'acétylène [u] 10 0, , , , ,2 Nous remarquons que le débit optimal (19 [u], cf. graphique 3) n est pas le même que précédemment, car il y a présence de solvant organique, qui, lors de sa combustion, dégage du gaz carbonique, ce qui impose un débit différent. On peut aussi considérer l alcool comme un carburant qui dopera la chaleur de la flamme. IV. Etude des interférences : Nous préparons 5 solutions de 25 [ml] contenant : Ca 2+ à 5 ppm dans du HCl à 10-2 [M] (1) Ca 2+ à 5 ppm et PO 4 3- à 10 ppm dans du HCl à 10-2 [M] (2) Ca 2+ à 5 ppm, PO 4 3- à 10 ppm et 50 [mg] de La(NO 3 ).6H 2 O dans du HCl à 10-2 [M] (3) Ca 2+ à 5 ppm et 50 [mg] de La(NO 3 ).6H 2 O dans du HCl à 10-2 [M] (4) Ca 2+ à 5 ppm et 10 [mg] de NaCl dans du HCl à 10-2 [M] (5) Nous mesurons l absorbance des 5 solutions en prenant HCl à 10-2 [M] comme blanc. Solution n X Absorbance 1 0,26 2 0, , , ,283 Quand nous ajoutons des phosphates, nous remarquons que l absorbance diminue, car le calcium forme des complexes avec les phosphates. De plus, ces complexes sont thermiquement stables et résistants à l atomisation, ce qui induit une décroissance de l absorbance

4 Quand nous ajoutons des phosphates et du lanthane, il y a compétition entre deux réactions : la formation d un complexe de lanthane avec les phosphates ou celle d un complexe de calcium et de phosphates, cela a comme effet de libérer un peu plus de calcium ionisé, qui va induire une légère augmentation de l absorbance. Quand nous ajoutons du NaCl ou du lanthane, l absorbance du sodium (ou du lanthane) interfère avec celle du calcium, ce qui induira une augmentation de l absorbance, car le calcium a l énergie d ionisation la plus faible. V. Dosage du Ca 2+ dans de l eau de l Arve : Le dosage s effectue avec les conditions optimales trouvées grâce aux tests précédents : 4 tours de manivelle, un débit d acétylène de 22 [u]. Comme l eau de l Arve est relativement calcaire, nous devons la diluer pour obtenir des concentrations mesurables. Nous filtrons ~1 litre d eau de l Arve brute sur une membrane de porosité 0,45 [µm] et nous récupérons le filtrat. Courbe de calibration externe : Nous préparons huit solutions de 25 [ml] avec des concentrations en calcium comprises entre 10-5 [M] et [M], puis nous mesurons leurs absorbance en réglant A = 0 avec la solution de HCl à 10-2 [M]. Finalement nous établissons la droite de calibration externe du calcium. En regardant les résultats obtenus précédemment pour les solutions de calcium à 5 ppm et le tableau synaptique des Services Industriels de Genève, nous trouvons qu il faut diluer 12,5 fois l eau de l Arve afin d obtenir des résultats exploitables. Absorbance [Ca] 0,018 1,00E-05 0,022 2,00E-05 0,09 4,00E-05 0,13 6,00E-05 0,163 8,00E-05 0,196 1,00E-04 0,425 2,50E-04 0,725 5,00E-04 0,208 Eau de l Arve Grâce à la pente de la courbe de calibration externe(cf. graphique 4) et à l absorbance de l eau de l Arve, nous pouvons calculer la concentration de calcium de notre échantillon et par la suite, celle de l eau de l Arve. Nous trouvons une concentration de 1, [M] dans 25 [ml] de notre solution, ce qui signifie qu il y a une concentration de calcium dans l eau (12,5 fois plus élevée que dans l échantillon) de l Arve de 1, [M] ou 62,4 [mg/l]. Ce qui se trouve être un bon résultat, proche de la mesure des Services Industriels Genevois (62,2 [mg/l]). Etalonnage interne : Nous préparons huit échantillons de 25 [ml] de filtrat, dilués 50 fois et acidifiés ([HCl] 10-2 [M]). Nous ajoutons des volumes croissants mais négligeables de solution stock de calcium à 5

5 ppm. Nous mesurons l absorbance des huit échantillons en utilisant comme blanc la solution de HCl à 10-2 [M]. La mesure, où 250 [µl] de calcium sont ajoutés, est fausse, nous avons ajouté ~500 [µl]. Absorbance [µl] de Ca 2+ ajoutés [mg] de Ca 2+ ajoutés 0, , ,0005 0, ,001 (0,77) (250) (0,00125) 0, ,0015 0, , , ,002 0, ,0025 Nous avons directement transformé les [µl] ajoutés en [mg] ajoutés, ce qui nous permet d avoir un calcul plus simple. En effet, La valeur absolue de l ordonnée à l origine nous donne la quantité de calcium de départ contenue dans notre échantillon, qui est de 0,003 [mg](cf. graphique 5). Comme nous l avons dilué 50 fois, nous avons 0,15 [mg] dans 25 [ml], ce qui donne une concentration totale de 6 [mg/l]. Ce qui est étrange, c est que normalement, c est par cette méthode que l on obtient les meilleurs résultats, car la calibration interne permet de tenir compte des impuretés contenues dans la solution. L erreur doit provenir du manque de précision de l ordonnée à l origine. VI. Dosage de Ca 2+ dans le sérum : Nous reconstituons un sérum de contrôle en ajoutant 5 [ml] d eau bidistillée dans le flacon et nous agitons afin de solubiliser le sérum. Nous préparons 5 échantillons de 25 [ml] contenant 250 [µl] de sérum et nous ajoutons aux 4 derniers des volumes croissants mais négligeables de la solution stock de calcium. Nous mesurons l absorbance des 5 échantillons en prenant comme blanc l eau bidistillée. Absorbance [µl] de Ca 2+ ajoutés [µg] de Ca 2+ ajoutés 0, , ,0005 0, , , , , ,0025 Comme nous avons une calibration interne, le calcul est presque le même : Nous avons comme ordonnée à l origine 0,003(cf. graphique 6) ; comme nous l avons dilué cent fois, nous avons 0,3 [mg] dans 25 [ml], donc 12 [mg/l], ce qui est trop élevé, mais nous avons dû faire une erreur lors de la préparation de la solution.

6 VII. Appareillage et solutions : Absorption atomique sans flamme Spectrophotomètre (Perkin-Elmer 2280) Plaque chauffante, centrifugeuse Installation de filtration, avec membranes de porosité 0,45 [µm] en nitrate de cellulose ( 90 [mm]) Solution stock (25 [ml]) de Cd 2+ à 1000 ppm Solution stock de NaNO 3 suprapur à 0,1 [M], et de HNO 3 suprapur à 2 [M] Eau de l Arve fraîchement prélevée, terres recueillies à Chenevriers VIII. Conditionnement de la verrerie : Comme il n y a pas une grande concentration de cadmium (0-2,5 ppb), il est nécessaire de conditionner toute la verrerie utilisée lors de cette expérience. La veille de la préparation des échantillons, nous remplissons toute la verrerie d une solution de HNO 3 suprapur à 10-2 [M], nous laissons tremper toute la nuit et le lendemain, mous rinçons abondamment la verrerie avec de l eau bidistillée. IX. Préparation des échantillons (eau d Arve, terres) : Cadmium total dans l Arve : Après avoir lavé le filtre avec un litre d eau bidistillée, nous filtrons l eau de l Arve et nous acidifions le filtrat avec du HNO 3 suprapur à 2 [M] (concentration finale de l acide [M] ; volume des échantillons 25 [ml]). Cadmium libre dans la tranche superficielle de terre (0-5 cm) : Nous pesons 0,5128 [g] de terre, nous y ajoutons 1,25 ml de NaNO 3 suprapur à 10-1 [M] et nous laissons reposer pendant deux heures. Nous centrifugeons la solution et nous récupérons le surnageant. Nous ajustons le volume de ce dernier à 5 [ml] avec de l eau bidistillée. Cadmium total dans les terres : Nous pesons ~ 0,5 [g] de terre et nous plaçons ces échantillons dans des tubes en polypropylène. Nous y ajoutons lentement 5 [ml] de HNO 3 suprapur à 2 [M]. Profondeur de la terre [cm] Masse de la terre [g] 0-5 0, , , , ,5042

7 ,5042 Nous chauffons la solution à durant trois heures. Nous centrifugeons les échantillons, récupérons les phases surnageantes et les diluons cent fois avec de l eau bidistillée. Cadmium provenant de la contamination : A la fin de la deuxième journée, nous préparons une solution de [M] d HNO 3 suprapur. Nous laissons l échantillon ouvert sur notre table de travail pendant 22 heures. X. Dosage de Cd 2+ : Nous préparons pour le dosage du cadmium total, six solutions (25 [ml]) contenant du Cd 2+ à des concentrations comprises entre 0 et 2,5 ppb dans de l acide nitrique suprapur à [M] (cf. graphique 7). Nous préparons pour le dosage du cadmium libre, six solutions (25 [ml]) contenant du Cd 2+ à des concentrations comprises entre 0 et 2,5 ppb dans du NaNO 3 suprapur à 2, [M] (cf. graphique 8). Matière analysée Absorbance ppb Cd total ppb Cd libre Masse terre [g] Teneur [mg/kg] Eau de l Arve 0,005 4,85E " 0,005 4,85E Cadmium libre 0, , Terres/0 à 5[cm] 0,007 6, ,5001 0, à 10[cm] 0,006 5, ,5085 0, à 15[cm] 0,04 38, ,5012 0, à 20[cm] 0,088 85, ,5056 0, à 25[cm] 0,054 52, ,5042 0, à 30[cm] 0,041 39, ,5042 0,31563 Contamination 0,008 7,76E Les échantillons de terre de 5 à 10, 20 à 25, 25 à 30 [cm] se sont renversés dans le bainmarie, donc ils sont plus dilués. Nous remarquons que les concentrations en cadmium et pour les terres sont en dessous des normes du Service Industriels. La concentration de cadmium pour les terres augmente avec la profondeur de celle-ci. La mesure de la contamination montre qu il faut bien conditionner la verrerie, sinon l erreur sur la mesure est assez grande ; il y aurait eu plus de cadmium dans cet échantillon que dans l eau de l Arve. Cette contamination provient du fait que l on ne travaille pas sous chapelle en labo et que du cadmium est présent dans l air (cf. Tableau du Service Industriel). XI. Conclusion : Nous avons pu, lors de cette expérience, découvrir les différents facteurs influençant l absorption atomique sans flamme, faire nos mesures «habituelles» de la teneur en calcium de l eau de l Arve. Nous avons pu aussi découvrir l absorption atomique sans flamme pour nos analyses sur le cadmium.

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