Partiel n 2 Techniques d Analyses Spectrale & Séparative (3h00) BON COURAGE ET BONNE FIN D ANNÉE À TOUTES ET À TOUS Documents non autorisés - Calculatrice autorisée Justifier les calculs Séparer calcul littéral et numérique Questions de cours : (8 points) Technique d analyse spectrale 1) Dans le cadre de la spectroscopie de fluorescence moléculaire, définir les termes cidessous : conversion interne ; fluorescence de résonance. 2) Indiquer les effets de la rigidité structurale ainsi que ceux de la température et du solvant sur la fluorescence et donc sur le rendement quantique. 3) En spectroscopie IR, indiquer ce que représente l empreinte digitale d un spectre, ainsi que son utilité. 4) En pratique, si l on veut réaliser le spectre IR d un composé sous forme de poudre, quelles sont les deux techniques d échantillonnages que l on peut utiliser (à détailler). 5) Sur le schéma d un spectromètre de masse (se trouvant en annexe 1), à rendre avec votre copie, indiquer clairement, l endroit où se trouve la chambre de volatilisation, celle d ionisation, l accélérateur de particules, l analyseur, et le collecteur. 6) Aux vues du schéma, préciser le type d ionisateur ainsi que le type d analyseur. Exercice 1 : Spectrofluorimétrie (4,25 points) Vous étudiez la fluorescéine à l aide d un spectrophotomètre et déterminez que sa longueur d onde d absorption maximale est de 496 nm. 1/ Calculez l énergie correspondante à un rayonnement de 496 nm. 2/ La fluorescéine a la propriété de fluorescer. Où se situe sa longueur d onde d émission maximale par rapport à la longueur d onde d absorption maximale? Justifiez. ETSL, 95 rue du Dessous des Berges, 75 013 PARIS 1/9
3/ Dans les propositions suivantes, indiquer clairement votre réponse sur votre copie : 3-1/ Une solution qui possède un chromophore est toujours colorée. [vrai/faux] 3-2/ Toutes les molécules qui absorbent ont la propriété de fluorescer. [vrai/faux] 3-3/ La fluorimétrie est [plus/moins] sensible que la spectrophotométrie UV/visible. 3-4/ La longueur d onde d émission d un fluorophore est toujours inférieure à sa longueur d onde d excitation. [vrai/faux] 3-5/ La longueur d onde d émission maximale d un fluorophore est [dépendante/indépendante] de la longueur d onde d excitation. Données : h = 6,63.10-34 J.s c= 3,00.10 8 m.s -1 Exercice 2 : Spectrophotométrie IR : (7,75 points) Lorsqu un rayonnement IR de fréquence ν interagit avec une liaison polaire A-B, le ressort modélisant la liaison décrit des oscillations forcées, à la fréquence ν, et absorbe pour ce faire, l énergie du rayonnement lumineux. Lorsque ν = ν 0 fréquence propre d absorption de la liaison A-B, l absorption est maximale et se traduit, sur un spectre par une faible transmittance. 1) Comment appelle-t-on les oscillations observées sur le spectre? 2) On a relevé sur les spectres IR du benzaldéhyde et de l alcool benzylique des bandes de forte absorbance correspondant à la vibration de valence de la liaison CO. Le tableau ci-après donne les valeurs des nombres d onde σ CO de ces bandes. Calculer la constante de force de liaison du ressort modélisant la liaison CO dans les deux cas. Commenter. ETSL, 95 rue du Dessous des Berges, 75 013 PARIS 2/9
Données : M(C) = 12,0 g.mol -1 ; M(O) = 16,0 g.mol -1 ; N A = 6,02.10 23 mol -1 ; c = 3,00.10 8 m.s -1. 3) Nommer la fonction chimique présente dans les molécules symbolisées de la manière suivante où R représente un groupe alkyle. 4) Les spectres IR des molécules précédentes pour lesquelles R est le groupe CH 3, sont représentés en annexe 2. Analyser les bandes principales de valence, et attribuer à chacune des molécules son spectre IR. (On pourra s aider de la table reproduite en annexe, donnant les nombres d onde des vibrations de valence des liaisons les plus courantes). Questions de cours : (5 points) Technique d analyse séparative 1) Définissez la phase stationnaire et la phase mobile. 2) Indiquer ce que représente le temps mort et le temps de rétention. 3) Compléter le schéma (se trouvant en annexe 3), à rendre avec votre copie, d un chromatographe en phase gazeuse. Exercice 3 : Chromatographie (7,5 points) Nous étudions la séparation de trois composés par chromatographie haute performance. L expérience a lieu à 20 C avec une pression en tête de colonne de 49.10 5 Pa. Le débit de la phase mobile est de 1 ml.min -1 et la longueur de la colonne est de 15 cm. Le temps mort est de 41 s. La séparation chromatographique a donné les résultats présentés dans le tableau cidessous : Résultats de la séparation par HPLC de trois composés. Composés Symbole t R (min) w (min) Toluène T 1,83 0,14 Diéthylphtalate E 2,62 0,34 Diméthylphtalate M 3,23 0,42 1/ Quel est le principe de la chromatographie? ETSL, 95 rue du Dessous des Berges, 75 013 PARIS 3/9
2/ Calculer la vitesse linéaire moyenne de la phase mobile. 3/ Calculez pour chaque composé : 3-1/ Le facteur de rétention k. 3-2/ Le nombre de plateaux théoriques (les pics sont supposés gaussiens). 4/ Calculez pour chaque couple : 4-1/ Le facteur de sélectivité α. 4-2/ La résolution R s. Exercice 4 : CPG (7,5 points) Nous étudions une essence sans plomb par chromatographie en phase gazeuse. Le tableau n 1 ci-dessous donne les conditions chromatographiques employées. La figure n 1 donne les résultats. Tableau 1 : Conditions de l étude de l essence sans plomb. Phase mobile = Hélium P hélium = 5,2 bar u hélium = 20 cm/sec Quantité injectée = 1 µl (essence sans plomb) Injecteur diviseur Split = 100/1 Phase stationnaire PDH 150 (apolaire) Longueur = 150 m d interne = 0,25 mm épaisseur film = 0,25 mm T = 35 C Détecteur = FID Figure 1 : Chromatogramme de l essence sans plomb, obtenu dans ces conditions. 1/ Quelles propriétés sont indispensables à un échantillon pour être étudié par chromatographie en phase gazeuse? 2/ Quelles sont les propriétés d un gaz utilisé comme phase mobile? 3/ Grâce aux informations mentionnées, indiquer le type de colonne utilisée, parmi les 3 grandes catégories de colonnes existantes en CPG. 4/ Déterminer le temps mort. ETSL, 95 rue du Dessous des Berges, 75 013 PARIS 4/9
5/ Le tableau n 2 ci-dessous donne les temps de rétention des composés de l essence étudiée. La figure 2 donne les formules développées de deux des composés séparés. Aurait-on pû prévoir l ordre d élution de ces composés. Justifier votre réponse. Tableau 2 : Temps de rétention de composés de l essence sans plomb. Pic 10 11 12 13 14 Produit 2,4- dimethylpentane benzène 2- methylhexane 2,3- dimethylpentane 3- methylhexane t R (min) 48,00 55,17 63,90 64,59 68,28 (a) (b) Figure 2 : Formules du 2,4-dimethylpentane (a) et du 3-méthylhexane (b). 6/ Calculer le facteur de rétention du benzène. 7/ Sachant que le pic du 2,3-diméthylpentane a une largeur à la base du pic de 40 secondes, évaluer le nombre de plateaux théoriques de cette colonne pour ce composé. 8/ Calculer la résolution du couple 2-methylhexane / 2,3-dimethylpentane sachant que la largeur à le base du pic 2-methylhexane est de 41 secondes. Conclure. 9/ Quel est le principe de fonctionnement du détecteur utilisé, ainsi que ses principales caractéristiques? ETSL, 95 rue du Dessous des Berges, 75 013 PARIS 5/9
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T.A.S.S. 2BIO 12/5/2009 ANNEXE 1 ANNEXE 2 ETSL, 95 rue du Dessous des Berges, 75 013 PARIS 7/9
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ANNEXE 3 ETSL, 95 rue du Dessous des Berges, 75 013 PARIS 9/9