analyse chimique - chimie.

analyse chimique - chimie. 1 PRÉSENTATION analyse chimique, ensemble des procédures et des techniques utilisées pour identifier et quantifier la composition d'un échantillon de matière. L'analyse chimique immédiate est la séparation des corps purs d'un mélange ; l'analyse élémentaire consiste à séparer et à doser les éléments d'une combinaison chimique. On ne parlera pas ici de cette dernière. L'analyse qualitative permet de déterminer la nature des éléments chimiques présents dans un composé, et l'analyse quantitative a pour but de doser un ou plusieurs de ses constituants. Par exemple, déterminer si un échantillon de sel contient l'élément iode est une analyse qualitative ; doser le pourcentage massique de l'iode présent dans l'échantillon est une analyse quantitative. 2 SÉPARATION, PURIFICATION : ANALYSE IMMÉDIATE Avant d'analyser un composé, on en prélève un échantillon, puis on sépare les différents constituants du mélange. Si le mélange est constitué de plusieurs phases, on commence par séparer ces phases. Par exemple, on peut séparer la phase solide de la phase liquide par filtration ou tamisage. La séparation d'un mélange homogène utilise les différences de propriétés physiques entre les constituants. Par exemple, on extrait facilement le sel d'un mélange sel-sable au moyen de l'eau, car le sel est soluble dans l'eau et le sable ne l'est pas. Par contre, la limaille de fer et le sable sont tous deux insolubles dans l'eau : on ne pourra donc pas les séparer par différence de solubilité dans ce liquide. Cependant, seule la limaille de fer est magnétique, on pourra donc la récupérer par triage magnétique. On peut séparer des constituants liquides par distillations successives ou fractionnées. Dans certains cas, des cristallisations successives permettent de séparer les constituants solides. La chromatographie est la méthode de séparation la plus souvent applicable. Elle a un grand nombre de variantes selon la nature du revêtement de la colonne utilisée pour les analyses et de l'interaction composant-échantillon. Les deux principaux types de chromatographie sont la chromatographie par perméation de gel et la chromatographie par échanges d'ions. La première méthode consiste à séparer les molécules selon leur taille ; dans la seconde méthode, les particules sont séparées selon leur charge. La chromatographie en phase gazeuse sépare les composants volatils d'un échantillon et la chromatographie liquide/liquide sépare les molécules neutres de petite taille en solution. La chromatographie permet de purifier un corps ou un constituant avant son dosage ou d'éliminer les composés qui gêneraient son dosage. Il est inutile de purifier un composé avant son analyse dans le cas où la méthode d'analyse n'agit que sur le composé étudié. Par exemple, déterminer le pH (concentration en ions hydrogène) du sang avec une électrode de verre ne nécessite pas d'étape de séparation préalable. L'étalonnage constitue une autre étape préparatoire pour les analyses qualitative et quantitative. La réponse et la sensibilité de l'appareillage mécanique ou électronique au composant recherché doivent être étalonnés en utilisant un composant pur ou un échantillon contenant une quantité connue du composant. 3 IDENTIFICATION MINÉRALE ET ORGANIQUE Après avoir isolé un corps pur, on peut déterminer la nature de ses constituants ou de ses fonctions chimiques. En général, les composés minéraux sont dissous dans l'eau en donnant des ions. Pour identifier les ions inorganiques, on utilise un procédé « par voie humide «. On sépare les ions par précipitation sélective, puis on les fait réagir avec un composé spécifique : il se forme alors un précipité ou la solution se colore, ce qui permet d'identifier les ions. Le tableau ci-contre indique les méthodes d'identification d'éléments métalliques courants. En chimie organique, on identifie les fonctions en faisant réagir le composé avec un réactif spécifique, la réaction étant visible à l'oeil nu. Par exemple, une fonction alcène blanchit une solution de brome (orangée). 4 ANALYSE QUANTITATIVE Les résultats sont donnés en pourcentage massique pour un solide, en concentration molaire pour un liquide. La détermination d'une valeur nécessite plusieurs mesures. Statistiquement, on doit effectuer un nombre suffisant de mesures pour s'approcher le plus possible de la valeur exacte. La technique d'analyse détermine également le nombre de mesures à effectuer. Il est donc important de calculer la moyenne et la précision des mesures qui représentent l'incertitude sur la valeur mesurée. La sensibilité limite d'un appareil est la valeur minimale que l'on peut mesurer avec cet appareil. De nombreux instruments de mesure sont automatisés et dans certains cas couplés à un ou plusieurs ordinateurs, ce qui permet d'effectuer et d'enregistrer rapidement un grand nombre de mesures. 5 MÉTHODES D'ANALYSE (QUALITATIVE ET QUANTITATIVE) On distingue deux types de techniques analytiques : les méthodes chimiques et physico-chimiques, impliquant des réactions chimiques ou électrochimiques, et les méthodes purement physiques, qui utilisent les propriétés physiques de la matière. 5.1 Méthodes chimiques Ce sont en particulier la gravimétrie et la volumétrie. La première méthode consiste à peser la quantité d'un composé séparé par précipitation sélective. Par exemple, on peut déterminer la concentration de l'ion chlorure dans une solution en provoquant la précipitation du chlorure d'argent insoluble (AgCl). Le précipité est ensuite récupéré et pesé. La gravimétrie est une méthode précise mais longue et délicate, car elle nécessite de nombreuses étapes de séparation préalables. La volumétrie, ou titrage, consiste à mesurer des volumes de la solution utilisée pour doser l'échantillon. Les réactions impliquées sont les réactions acido-basiques, les réactions d'oxydoréduction ou les complexations. Par exemple, on peut titrer une solution d'acide éthanoïque par une solution d'hydroxyde de sodium (base) de concentration connue (voir Acides et bases). Pour les réactions de complexation (voir Complexes), on utilise souvent l'EDTA (acide éthylène-diamino-tétraacétique). Les réactions des titrages doivent être rapides et sans réactions secondaires, qui tendent à fausser les résultats. Cette condition est plus souvent satisfaite avec les réactions en chimie minérale qu'avec les groupes fonctionnels organiques. 5.2 Méthodes de mesure électrochimiques Elles mettent en jeu des réactions électrochimiques, telles que l'électrolyse. Des électrodes sont placées dans une solution contenant des ions. Une différence de potentiel est appliquée entre les électrodes, il en résulte le passage d'un courant électrique : les cations (ions chargés positivement) se déplacent vers l'électrode négative (cathode) et les anions (ions de charge négative) sont attirés vers l'électrode positive (anode). L'intensité du courant, la différence de potentiel appliqué aux électrodes, la concentration du corps électrolysé et le temps de la réaction sont reliés par une expression mathématique simple, qui permet de déterminer la concentration des ions dans la solution de départ. Les deux méthodes de mesure principales sont : la potentiométrie, mesure du potentiel des électrodes à courant constant, et l'ampérométrie, mesure de l'intensité du courant à potentiels constants. La conductimétrie consiste à mesurer la conductance (inverse de la résistance) d'une solution. C'est plutôt une méthode électrique et elle permet de déterminer la concentration d'ions dans une solution. 5.3 Méthodes physiques Elles ne sont pas destructives et nécessitent de faibles quantités de matière : 5.3.1 Méthodes thermiques La thermogravimétrie donne l'évolution de la masse de l'échantillon en fonction du temps et de la température qui lui est appliquée. La masse est mesurée par une thermobalance. L' analyse thermique différentielle permet de suivre l'évolution de la différence de température entre l'échantillon et un étalon en fonction de la température, qui croît de façon linéaire en fonction du temps. 5.3.2 Méthodes optiques Ce sont les techniques d'analyse physiques les plus précises et les plus employées. Elles utilisent l'interaction entre le rayonnement électromagnétique et la matière. Parmi ces méthodes, on peu citer : les spectrophotométries d'absorption dans le visible, dans l'ultraviolet et dans l'infrarouge, la microscopie électronique, la spectroscopie d'émission, la spectroscopie d'absorption atomique et la diffraction par rayons X. La plupart de ces techniques utilisent le même principe. La matière est traversée par un rayonnement électromagnétique et absorbe puis émet de l'énergie, car elle subit les phénomènes suivants : transition des électrons entre les niveaux d'énergie de la molécule, vibrations ou rotations des liaisons interatomiques, modifications des spins électroniques (voir Atome ; Quantique, théorie). Ainsi, les spectromètres émettent un rayonnement électromagnétique qui traverse le composé étudié, et enregistrent le spectre d'absorption ou d'émission, qui permet de déterminer les longueurs d'onde et les intensités du rayonnement absorbé ou émis par la matière. Ces longueurs d'onde sont caractéristiques d'un groupe fonctionnel (organique), et les intensités relatives des raies d'émission ou d'absorption permettent de déterminer la proportion des constituants correspondants dans la molécule. La spectrophotométrie d'absorption dans le visible ou l'ultraviolet est une technique d'analyse très utilisée pour les substances minérales et organiques. Le spectrophotomètre mesure l'absorbance (reliée à la quantité de lumière absorbée) d'une solution contenant l'échantillon, avant et après que la solution a réagi avec un réactif colorant. La diminution de la transparence de la solution est proportionnelle à la concentration du constituant analysé. La spectrophotométrie d'absorption infrarouge est efficace pour l'analyse organique, car les liaisons des groupes fonctionnels différents ont des énergies très différentes, et absorbent par conséquent un rayonnement infrarouge à fréquences distinctes. Le spectre d'absorption correspondant est constitué de pics. La spectroscopie par fluorescence utilise le phénomène inverse de la spectrophotométrie d'absorption. Les molécules sont excitées et émettent de la lumière aux énergies caractéristiques de leur structure, et à une intensité proportionnelle à la concentration de l'échantillon. Cette méthode donne des résultats quantitatifs très précis pour certaines molécules. En spectrométrie d'émission ou d'absorption atomique, l'échantillon est chauffé à haute température et se décompose en atomes et en ions, qui émettent ou absorbent respectivement un rayonnement dans le domaine du visible ou de l'ultraviolet, et aux énergies caractéristiques des éléments impliqués. La spectroscopie d'absorption atomique est très utilisée pour les analyses qualitative et quantitative d'éléments métalliques à l'état de traces. La spectroscopie par fluorescence X est utilisée pour les analyses qualitatives et quantitatives des éléments métalliques qui émettent des rayons X à des énergies caractéristiques lorsqu'ils sont bombardés par une source de rayons X de haute énergie. 5.3.3 Méthodes radiochimiques Ces méthodes consistent à détecter la radioactivité de l'échantillon sous la forme de particules alpha et bêta, et de rayons gamma, produits par des désintégrations nucléaires. La radioactivité d'un échantillon peut être générée par bombardement de neutrons. On utilise couramment ce procédé dans l'industrie pour identifier certains métaux dans un composé. Cette méthode d'analyse par activation de neutrons a l'avantage d'être rapide, très automatisée et de ne pas détruire l'échantillon. 5.3.4 Résonance magnétique nucléaire (RMN) La molécule étudiée est placée dans un champ magnétique : il se produit une transition de spin nucléaire lors de l'absorption de l'énergie électromagnétique par la molécule. Le spectre RMN d'un composé est constitué de pics. La position des pics et leur intensité relative permettent d'accéder à la structure moléculaire. 5.4 Spectrométrie de masse C'est une technique d'analyse puissante, utilisée entre autres dans le dosage isotopique et pour déterminer la structure d'une molécule organique (voir Spectromètre de masse). Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.