Chimie Analytique II Chromatographie gazeuse Détermination des conditions optimales de séparation et dosage et l éthanol et du méthanol Daniel Abegg Nicolas Calo Emvuli Mazamay Pedro Surriabre Université de Genève, Science II, Laboratoire 144 Groupe 4 29 décembre 2008 Résumé Dans un premier temps une courbe Van Deemter a été obtenue pour déterminer le débit optimal pour assurer une bonne séparation par chromatographie gazeuse. Par la suite nous déterminons les pourcentages volumiques en éthanol dans une bière sans alcool et en méthanol pour un vieux marc. Les valeurs obtenues suggèrent que les deux échantillons sont en accord avec la loi fédérale qui explicite les concentrations limites de ces deux composés pour la consommation. Introduction La chromatographie gazeuse (GC) est une méthode de séparation basée sur les différentes affinités des constituants d un échantillon pour la phase stationnaire qui est un film liquide (colonne capillaire). D abord l échantillon est volatilisé et ensuite introduit dans la colonne qui est placée dans un four à une température adéquate pour garder les composants de l échantillon en phase gazeuse pendant toute l analyse. Le chromatogramme obtenu renseigne sur les temps de rétention qui caractérise chaque composant de l échantillon. Afin de déterminer le débit optimal pour la séparation il faut tracer le graphique de la hauteur des plateaux théoriques de la colonne en fonction de la vitesse linéaire du gaz porteur. Le graphique obtenu est la courbe de Van Deemter. Le débit optimal correspond à la hauteur des plateaux théoriques la plus petite. 1
Le but de ce TP est de tracer la courbe de Van Deemter pour la colonne et ainsi déterminer les conditions optimales pour l analyse de l éthanol dans une bière sans alcool et du méthanol dans un vieux marc. Nous allons déterminer les pourcentages volumiques de ces deux alcools et les comparer avec les valeurs stipulées par la loi fédérale. Méthodologie et résultats Détermination de la courbe de Van Deemter Une solution d éthanol 4 g/l sera utilisé pour obtenir le meilleur débit pour, par la suite doser l éthanol dans une bière sans alcool. Cette solution contient 0.5 ml d éthanol et 0.5 ml de sulfate d ammonium saturé dans de l acide sulfurique 1 M. Puis cette solution est vortexée et 2 ml de phase gazeuse sont prélevés avec une seringue et injecté. pression [kpa] débit [ml/min] flux [m/s] t r [s] area/height [s] N H [m] 200 10.30 7688.10 64.20 1.8676 18907 1.59 10 3 150 6.60 4926.35 81.90 1.7894 33518 8.95 10 4 100 3.70 2761.74 115.80 2.1204 47720 6.29 10 4 50 1.60 1194.27 217.08 3.0395 81612 3.68 10 4 25 0.70 522.49 418.20 6.7955 60596 4.95 10 4 15 0.41 306.03 679.74 12.1398 50163 5.98 10 4 Tab. 1 Table des valeurs pour la détermination du débit approprié pour le dosage de l éthanol. La longueur de la colonne est de 30 m et son diamètre de 0.32 mm. Le nombre de plateaux est égale à : N = 16 ( tr H pic A pic ) 2 et la hauteur des plateaux est la division de la longueur de la colonne (30 m) par le nombre de plateaux. 0.0016 Courbe de Van Deemter 0.0014 0.0012 H [m] 0.001 0.0008 A = 0 B = 0.174 ± 0.002 C = 1.96 10 7 ± 7.4 10 9 0.0006 0.0004 0.0002 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 flux [m/s] Fig. 1 Courbe de Van Deemter (H = A + B + C u). Le meilleur débit (ou pression) est u le minima de la courbe : 1194.27 m/s ou 1.6 ml/min ou 50 kpa 2
Dosage de l éthanol dans une bière sans alcool Les dosages s effectuent avec un débit de 1.6 ml/min (50 kpa). Des solutions contenant 0.5 ml d éthanol à différentes concentrations (table 2) avec 0.1 ml de dioxanne 1% et 0.5 ml de solution saturée en sel sont préparées et agitée au vortex, puis 2 ml de phase gazeuse sont prélevés et injecté. V EtOH [µl] C EtOH [g/l] Aire EtOH [µv s] Aire Dioxanne [µv s] Aire EtOH/Dioxanne 6 0.473 468.28 2664.06 0.176 13 1.026 1441.17 2685.39 0.537 19 1.499 2611.43 3051.94 0.856 25 1.973 3689.26 3209.02 1.150 32 2.525 4968.02 2999.91 1.656 38 2.998 5930.7 3207.74 1.849 51 4.024 6127.75 2934.98 2.088 Tab. 2 Valeurs pour la droite de calibration de l éthanol 2.5 Droite de calibration de EtOH 2 CEtOH CDioxanne 1.5 1 f(x) = 0.573 x 6.06 10 6 R 2 = 0.96 0.5 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 C EtOH [g/l] Fig. 2 Droite de calibration de l éthanol pour la mesure de cette dernière dans la bière sans alcool La solution pour le dosage de la bière sans alcool est préparée avec les mêmes volumes (0.5 ml de bière, 0.1 ml de dioxanne et 0.5 ml de solution de sel saturée). V EtOH [µl] Aire EtOH [µv s] Aire Dio [µv s] Aire EtOH/Dio C EtOH [g/l] %EtOH/bière 50 5424.52 2719.73 1.995 3.483 0.441 Tab. 3 Quantité d éthanol dans la bière sans alcool ainsi que le pourcentage d éthanol dans cette dernière (densité EtOH=0.789 g/ml et dilution dans 10 ml). 3
Dosage du méthanol dans un alcool ligneux Le débit pour le dosage du méthanol est différent que précédemment. Des solutions de 0.5 ml de méthanol à concentration variable (table 4) avec 0.1 ml de dioxanne 1% et 0.5 ml de solution de sel saturée sont préparées puis vortexée avant la mesure. V MeOH [µl] C MeOH [g/l] Aire MeOH [µv s] Aire Dioxanne [µv s] Aire MeOH/Dioxanne 6.00 10 3 0.475 904.68 4123.16 0.219 1.90 10 2 1.504 2748.51 3072.44 0.895 2.50 10 2 1.980 2585.55 1535.58 1.684 3.20 10 2 2.534 5076.65 2669.04 1.902 3.80 10 2 3.009 5619.60 2638.53 2.130 5.10 10 2 4.038 5215.10 1558.62 3.346 Tab. 4 Valeurs pour la droite de calibration du méthanol La solution pour le dosage du vieux marc est préparée avec les mêmes volumes (0.5 ml de vieux marc, 0.1 ml de dioxanne et 0.5 ml de solution de sel saturée). 3.5 Droite de calibration du MeOH 3 2.5 CMeOH CDioxanne 2 1.5 1 f(x) = 0.859x 0.243 R 2 = 0.98 0.5 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 C MeOH [g/l] Fig. 3 Droite de calibration du méthanol pour la mesure de ce dernier dans le vieux Marc V MeOH [µl] Aire MeOH [µv s] Aire Dio [µv s] Aire MeOH/Dio C MeOH [g/l] %MeOH/marc 50 1308.40 1647.99 0.794 1.207 0.152 Tab. 5 Quantité de méthanol dans le vieux Marc ainsi que le pourcentage de méthanol dans ce dernier (densité MeOH=0.792 g/ml et dilution dans 10 ml). 4
Discussion La hauteur d un plateau théorique est affectée par la vitesse du gaz porteur. L équation de Van Deemter rend compte de ce phénomène : H = A + B u + C u Les paramètres A, B, C sont des constantes qui caractérisent les propriétés physiques, cinétiques et thermodynamiques de la colonne. A est le coefficient de diffusion turbulente. Elle dépend de la diffusion tourbillonnaire dans les canaux formés par les grains de support (colonnes remplies). Donc elle n existe pas dans une colonne capillaire, ce qui est le cas dans notre expérience. B est le coefficient de diffusion longitudinal. Ce type de diffusion résulte de la tendance du soluté à se déplacer du centre de sa bande (concentration élevée) vers les régions de plus diluées en amont ou en aval. Elle est responsable de l élargissement des pics dans la chromatographie en phase gazeuse parce que la vitesse de diffusion des molécules est très élevée dans le gaz. C est le coefficient de résistance au transfert de masse entre la phase stationnaire (liquide en GC) et la phase mobile (gaz en GC). Ce coefficient est directement proportionnel au carré de l épaisseur moyenne de la couche déposée sur les particules du support solide et inversement proportionnel au coefficient de diffusion du soluté dans le film. Donc, la courbe de Van Deemter a trois contributions (figure 4) Fig. 4 Courbe théorique de Van Deemter[5] Elle permet de déterminer le débit optimal pour une bonne séparation. Dans notre cas ce débit est de 1.6 ml/min (50 kpa). En ce qui concerne l analyse de la bière sans alcool, nous avons trouvé une teneur en éthanol de 0.441% en volume. L ordonnance fédérale sur les denrées alimentaires[2] in- 5
dique que la concentration d alcool autorisée dans la bière sans alcool est de maximum 0.5%. Donc, le résultat obtenu montre que l échantillon est en accord avec la loi. Quant à l analyse du marc, nous avons trouvé une teneur en méthanol de 0.152%. Selon la loi fédérale elle doit se trouver entre 0.18 et 0.28%[2] [1], donc le marc analysé est légal. L identification du pic correspondant au méthanol dans le marc était difficile car on était en présence d une forêt de pics. Nous avons pris le pic qui donnait le meilleur résultat pour la concentration de méthanol. Cependant ce pic avait un temps de rétention moindre. Ceci peut être expliqué par les interactions entre le méthanol et l éthanol, présent aussi dans le marc, qui induisent des changements dans la polarité du méthanol et font varier son interaction avec la phase stationnaire. Pour vérifier que ce pic correspondait effectivement au méthanol, on aurait dû ajouter du méthanol dans l échantillon et obtenir un nouveau chromatogramme qui afficherait un plus grand pic pour le méthanol et ainsi le repérer dans le chromatogramme précédent. Malheureusement nous n avons pas eu le temps de faire cette analyse supplémentaire. Donc le résultat est à prendre avec précaution. Il est impossible de comparer deux pics de chromatogramme différent, sans dioxanne, car la proportion du soluté en phase gazeuse ne sera pas la même entre les expériences. Il est nécessaire d ajouté un étalon interne (dioxanne) dont la concentration en phase gazeuse sera proportionnelle à celle soluté en phase gazeuse. Donc en faisant le rapport des aires des pics nous pouvons quantifier la concentration de soluté entre les différentes mesures. Si deux composés sont mal séparés par chromatographie gazeuse, on peut agir sur le débit et sur la température du four pour obtenir une meilleure résolution. En effet, ces deux paramètres modifient les interactions des molécules avec la phase stationnaire et ont une influence donc sur les temps de rétention. Conclusion La chromatographie en phase gazeuse est un outil très puissant pour l identification des composés présents dans un mélange, mais en ce qui concerne la quantification il y a des méthodes plus performantes. Mais nos résultats sont cohérents et ils montrent que les pourcentages volumiques en éthanol pour la bière sans alcool et en méthanol pour le marc sont en accord avec la loi fédérale. Références [1] Communauté Européenne. Indications géographiques (spiritueux), 1989. Réglement (CEE) N 1576/89. 6
[2] Conseil fédéral suisse. Ordonnance sur les denrées alimentaires, 1995. [3] M. Borkovec. Lab journal of analytical chemistry II : High-Pressure Liquid Chromatography, 2008. [4] D.A. Skoog, D.M. West, and F.J. Holler. Chimie Analytique. de Boeck, 7 e edition, 2006. [5] Wikipedia. Van Deemter equation. http://en.wikipedia.org/wiki/van_deemter_ equation 13.11.2008. 7