CHAPITRE 1

École Supérieure des Sciences de l'Aliment et Industries Agroalimentaires 2ème année second cycle

Cours d’analyse physicochimique avancées 2 Chapitre 1 : Spectroscopies d’absorption et d’émission atomiques

27/12/2020

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1. Introduction La spectroscopie est un vaste domaine regroupant plusieurs sous-disciplines qui peuvent être classées selon le type de matrice analysée.

Spectroscopie

Atomique

Moléculaire

(Spectre de raie)

(spectre de bande)

Emission

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Absorption

UV-VISIBLE

FTIR

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Fluorescence

Cristaux

Noyau

DRX

RMN

2

Spectroscopie atomique Spectre de raie 𝜆 = 656𝑛𝑚

Spectre de bande

486 434 410

Spectre de bandes d’absorption d’une solution de KMnO4

Spectre de bandes d’absorption d’une solution de CuSO4

𝝀𝒂𝒃𝒔𝒐𝒓𝒑𝒕𝒊𝒐𝒏 = 𝝀𝒆𝒎𝒊𝒔𝒔𝒊𝒐𝒏 27/12/2020

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Objectif du cours • Principe de spectroscopie atomique • L’appareillage • Applications

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La spectroscopie atomique • une technique décrite pour la 1ère fois par Walsh en 1955, • permet de doser dans pratiquement toute sorte d’échantillon, (métaux ou non-métaux)

• la limite de détection peut varier entre ppm et ppb.

Figure 1: un spectrophotomètre

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Principe de la méthode (Effet de la température sur un élément)

« Un corps soumit à certaines conditions d’excitation, ne peut émettre que les radiations qu’il est susceptible d’absorber dans les mêmes conditions » Expérience de renversement des raies de Kirchhoff Emission atomique Kirchhoff

Absorption atomique

Expérience de reversement des raies de Kirchhoff 27/12/2020

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Principe de la méthode (Effet de la température sur un élément)

Figure 1: schéma de passage des électrons d’un état fondamental à un état excité.

𝑪 ∆𝑬 = 𝒉𝝑 = 𝒉 = 𝚫𝑬 = 𝑬𝒆 − 𝑬𝒊 𝝀 27/12/2020

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Principe de la méthode (Effet de la température sur un élément) La loi de répartition de Maxwell-Boltzmann permet de calculer l’effet de la température sur chaque transition. En désignant par N0 le nombre d’atomes à l’état fondamental et par Ne celui à l’état excité, on a : 𝑵𝒆 𝑵𝟎

= 𝒈 𝒆𝒙𝒑 −

∆𝑬 𝑲𝑻

𝒐𝒖

𝑵𝒆 𝑵𝟎

= 𝒈 𝒆𝒙𝒑 −𝟏𝟏𝟔𝟎𝟎

∆𝑬 𝑻

Quand ∆𝑬 𝒆𝒔𝒕 𝒆𝒙𝒑𝒓𝒊𝒎é𝒆 𝒆𝒏 𝒆𝑽 𝒆𝒏 𝒓𝒆𝒎𝒑𝒍𝒂𝒄𝒆 𝒍𝒂 𝒗𝒂𝒍𝒆𝒖𝒓 𝒅𝒆 𝒌 Avec : T température absolue en kelvins g : entier qui dépend de chaque élément et de ses nombres quantiques ; ΔE écart d’énergie (joules) entre les deux populations concernées e et 0. K : constante de Boltzmann (k = R/N = 1,38 × 10−23 J/K) 27/12/2020

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Principe de la spectroscopie atomique • En absorption atomique, la concentration est déduite de la mesure de l’absorption de la lumière par les atomes de l’élément restés à l’état fondamental lorsqu’ils sont éclairés par une source lumineuse convenable. • En émission de flamme, au contraire, on mesure l’intensité des radiations émises par la fraction des atomes passée à l’état excité par simple effet thermique.

• En absorption atomique comme en émission de flamme, la mesure d’intensité lumineuse est faite à une longueur d’onde spécifique de l’élément analysé. • Avec les détecteurs actuels comportant un photomultiplicateur, il suffit, pour faire une mesure

fiable, que le rapport Ne/N0 soit supérieur à 10−7. 27/12/2020

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• Exemple : En absorption atomique le Zn absorbe à 213,856 nm. Son nombre quantique vaut 3. Quelle est l’énergie en eV, correspondant à cette transition électronique ? A 3727°C, quel est le nombre d’atomes se trouvant à l’état excité par rapport à l’état fondamental.

On donne : 𝑐 = 3 × 108 𝑚/𝑠 10−19 𝐽

ℎ = 6,625 × 10−34 𝐽𝑠 1𝑒𝑉 = 1,602 ×

𝑪 ∆𝑬 = 𝒉𝝑 = 𝒉 = 𝚫𝑬 = 𝑬𝒆 − 𝑬𝒊 𝝀

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𝑵𝒆 ∆𝑬 = 𝒈 𝒆𝒙𝒑 − 𝑵𝟎 𝑲𝑻

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• SOLUTION • 1/ l’énergie en eV, correspondant à cette transition électronique : 𝒄 𝒉 𝝀

10−34 𝐽𝑠

3×108 𝑚 𝑠 213,85×10−9 𝑚

• 𝑬 = 𝒉𝝊 = = 6,625 × × = 9,29 × 10−19 𝐽 = 5,8𝑒𝑣 • 2/ le nombre d’atomes se trouvant à l’état excité par rapport à l’état fondamental. •

𝑵𝒆 𝑵𝟎

= 𝒈 𝒆𝒙𝒑

𝟏𝟎−𝟕 27/12/2020

∆𝑬 −𝟏𝟏𝟔𝟎𝟎 𝑻

= 𝟑 × 𝒆𝒙𝒑

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𝟓,𝟖 −𝟏𝟏𝟔𝟎𝟎 𝟑𝟕𝟐𝟕+𝟐𝟕𝟑

= 𝟏, 𝟒𝟖 ×

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La spectroscopie d’absorption atomique Appareillage :

• La lampe émet de la lumière pour l'élément d'intérêt

Atomiseur • L'atomiseur convertit l'échantillon liquide en atomes libres qui absorbent l'énergie de la lampe

• Le monochromateur sélectionne la longueur d'onde utilisée pour la mesure

Lampe

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Détecteur • Le détecteur mesure la lumière absorbée par les atomes libres

Monochromateur

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La spectroscopie d’absorption atomique Appareillage : Lampe

la lampe à cathode creuse

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la lampe à décharge sans électrode

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La spectroscopie d’absorption atomique Appareillage : Lampe

la lampe à cathode creuse

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La spectroscopie d’absorption atomique Appareillage : Lampe Elles présentent donc des avantages indéniables pour l’analyse. En revanche, elles produisent un faisceau de section bien supérieure ; on ne peut donc tirer bénéfice de leurs avantages qu’avec des appareils spécialement conçus. On trouve des lampes à décharge pour les éléments suivants : Sn, As, Bi, Cd, Cs, Ge, Pb, Hg, P, K, Rb, Se, Te, Th et Zn la lampe à décharge sans électrode

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La spectroscopie d’absorption atomique Appareillage : Atomiseur

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La spectroscopie d’absorption atomique Appareillage : Atomiseur : la flamme

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Tableau 1 : Températures limites de quelques mélanges combustible/comburant

Mélange

Température °C

Acétylène /air

2600

acétylène /O2

3400

acétylène /N2O

3000

Butane /air

2200

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La spectroscopie d’absorption atomique Appareillage : Atomiseur : à four graphite

Figure 6: Système d’atomisation électrothermique. a) Dispositif à four graphite chauffé par effet Joule ; b) exemple de tube chauffant en graphite ; c) courbe de programmation de température en fonction du temps avec aspect du signal d’absorption. Les deux premières étapes de ce programme électrothermique sont effectuées sous atmosphère inerte (balayage d’argon). 27/12/2020

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La spectroscopie d’absorption atomique Appareillage :

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La spectroscopie d’absorption atomique Appareillage :

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La spectroscopie d’absorption atomique Appareillage : Monochromateur

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La spectroscopie d’absorption atomique Appareillage : Détecteur

photomultiplicateur 27/12/2020

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La spectroscopie émission atomique

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La spectroscopie émission atomique Les atomes excités retournent à des niveaux plus bas en libèrent des radiations (émission ou luminescence).

On mesure ensuit l’intensité de ces radiations émises. L’intensité est proportionnelle à la concentration : 𝐼𝑒 = 𝑘 × 𝐶

Avec : 𝐼𝑒 : intensité lumineuse émise, k est un coefficient propre à chaque élément. c = concentration en espèce émettrice. Cette formule n’est valable ici encore que pour les faibles concentrations et en l’absence d’auto-absorption ou d’ionisation. La mesure de la concentration se fait, tout comme en absorption, à l’aide d’une courbe d’étalonnage

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La spectroscopie émission atomique appareillage : Atomiseur

Flamme

Torche à plasma

Monochromateur

Détecteur 27/12/2020

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Atomiseur

La spectroscopie d’absorption atomique Appareillage :

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Flamme

Identique a celui de la SAA

Torche à plasma les décharges luminescentes

les étincelles

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Dosages par absorption et émission atomique Détermination de la concentration Par méthode d’étalonnage Méthode des ajouts

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Dosages par absorption et émission atomique L’absorbance de l’élément dans la flamme dépend du nombre d’atomes N0 restés à l’état fondamental sur le trajet optique. On procède par des mesures comparatives avec des solutions d’étalonnage. A = k ·c A, absorbance ; c, concentration de l’élément ; k, coefficient propre à chaque élément pour la longueur d’onde choisie 27/12/2020

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Dosages par absorption et émission atomique Exemple : Dosage de cuivre par méthode des ajouts. On souhaite déterminer la concentration en cuivre dans un échantillon alimentaire, d’une densité égale à 1, par spectrophotométrie d'absorption atomique à l'aide d'une flamme air/acéthyylène oxydante et d'une lampe à cathode creuse de cuivre (l = 324,7 nm) selon la méthode dite des ajouts dosés. 1. Décrire la loi utilisée en spectrométrie d'absorption atomique qui relie la valeur du signal à celle de la concentration de l'espèce à quantifier. 2. Calculer en fonction de I0 la valeur de l'intensité du faisceau après passage dans la flamme si A = 3. Quel risque on prend lorsqu'on considère une telle mesure lors d'un étalonnage? Quelle solution préconisez-vous alors ? 3. Soit une solution étalon S d'ion cuivre (II) à la concentration de 10 mg/L. Quelle masse m de sulfate de cuivre pentahydraté faut-il dissoudre dans 1 L d'eau ultra-pure pour obtenir la concentration souhaitée? 4. Donner la concentration de la solution S en ppm. 5. Des quantités connues de la solution S de cuivre (II) sont ajoutées à des prélèvements identiques de l'échantillon. Chaque solution est ensuite diluée jusqu'à un volume donné avant de mesurer en absorption atomique son absorbance. a) Calculer pour chaque fiole les valeurs ΔC la concentration des étalons d'ajout de cuivre. b) Déterminer graphiquement la teneur en cuivre de l'échantillon et conclure. 6. Quel est l'intérêt de cette méthode par rapport à un étalonnage externe? Comment améliorer la précision du dosage ? Fiole n°

0

1

2

Volume échantillon ( mL) Volume de solution S (mL)

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ΔC ( mg/L)

4

3,00

4,00

10,00 0

Eau ultra-pure

Absorbance

3

1,00

2,00

Compléter la fiole jaugée à 50 Ml

0,1

0,15 Dr BOUGUEROUA M

0,2

0,25

0,3 29

Dosages par absorption et émission atomique Exemple : Dosage de cuivre par méthode des ajouts.

1. La loi utilisée en spectrométrie d'absorption : L'absorbance A de la solution suit une loi de type Beer-Lambert, ou A = kCCu où A est l'absorbance, CCu la concentration totale en élément cuivre, K un coefficient propre à chaque élément pour la longueur d'onde choisie). Cette

loi

n'est

valable

que

pour

les

concentrations

faibles

de

l’ordre

de

ppm.

Lorsqu'une lumière monochromatique d'intensité I0 traverse un milieu homogène, l'intensité de la lumière émergente I décroît

exponentiellement

lorsque

l'épaisseur

l

du

milieu

absorbant

augmente.

La relation fondamentale utilisée en spectrophotométrie est présentée sous la forme:

𝐴 = 𝑙𝑜𝑔

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𝐼0 𝐼

(A est l'absorbance)

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Dosages par absorption et émission atomique Exemple : Dosage de cuivre par méthode des ajouts.

1. la valeur de l'intensité en fonction de I0:

𝐼0 ′ 3 = 𝑙𝑜𝑔 𝑑 𝑜𝑢 𝐼 = 103 × 𝐼0 𝐼 L'intensité de la lumière émergente est bien trop faible. Pour une meilleure précision, l'absorbance ne doit pas dépasser 1. Il faut diluer l'échantillon.

1. /a masse de cuivre à peser: Sulfate de cuivre pentahydraté CuSO4 5H2O On a : 𝑛 =

𝑚 𝑀

=

10×10−3 63,5

= 1,5748 × 10−4 𝑚𝑜𝑙

𝑚 = 𝑛 × 𝑀 𝑠𝑢𝑙𝑓𝑎𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑢𝑖𝑣𝑟𝑒 𝑝𝑒𝑛𝑡𝑎ℎ𝑦𝑑𝑟𝑎𝑡é = 1,5748 × 10−4 × 249,68 = 39 𝑚𝑔 La concentration en ppm : Masse de un litre de solution ~1000 g= 1,0 106 mg. 39 mg correspondent à 39 ppm (partie par million). 27/12/2020

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Dosages par absorption et émission atomique Exemple : Dosage de cuivre par méthode des ajouts.

V étalon

Vtotale= 50mL

10mL Cu Fiole n°

0

1

2

Volume échantillon ( mL) Volume de solution S (mL)

4

3,00

4,00

0,25

0,3

10,00 0

1,00

Eau ultra-pure Absorbance

3

2,00 Compléter la fiole jaugée à 50 Ml

0,1

0,15

0,2

ΔC ( mg/L)

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Les interférences Physique

D’ionisations

Interférences

Chimiques

Spectrales

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Les interférences

Spectrales

Correction

Ces phénomènes ont leur siège dans la source d’atomisation et affectent la mesure spectrale d’absorbance de l’analyte :

Pour corriger des interférences il faut mesurer

- par superposition de raies : raie de l’élément à doser et raie

automatiquement

appartenant à un autre élément,

spécifiques dues aux interférents en tout genre

- par superposition d’absorbances provenant de molécules,

afin de les soustraire de l’absorbance ainsi que

- par la diffusion de la lumière incidente sur des particules

lors des réglages préliminaires de l’appareil

solides ou liquides présentes dans l’atomiseur.

(c.à.d. en l’absence d’échantillon), il faut

Elles se traduisent souvent par une translation de la droite

ajuster log I0/I = 0 si on veut obtenir une

d’étalonnage établie en milieu complexe, par rapport à celle

mesure correcte.

les

absorbances

non

obtenue en milieu simple (interférences additives). 27/12/2020

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Les interférences

Chimiques

Correction L’anion qui accompagne le cation que l’on dose joue un rôle Pour résoudre ce problème, il faudra

important dans ce cadre :

Exemple : Le CaCl2 est plus facile à atomiser, donc plus facile à doser que du Ca sous forme de Ca3(PO4)2 : phosphate

faire l’étalonnage et les dosages sous la même forme saline ; par exemple, si on dose du Ca dans CaCl2, on prendra

tricalcique. Donc, on n’utilise jamais l’acide phosphorique comme acide

redissoudre les échantillons après minéralisation, car il forme

CaCl2

pour

faire

la

gamme

d’étalonnage.

des phosphates difficiles à atomiser.

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Les interférences

Physique

Elles sont généralement liées aux propriétés physiques des solutions étudiées (changement de viscosité entre les étalons et les échantillons). Si la solution dans laquelle on veut doser un métal donné renferme un ou plusieurs autres ions en concentration importante, quand on va provoquer la nébulisation de la solution dans une flamme, ces autres sels métalliques s’insolubilisent. Ce phénomène est appelé le scattering effect : l’effet de

diffusion de la lumière par des particules qui s’insolubilisent dans la flamme. Deux phénomènes sont engendrés l’absorption atomique, et la diffusion de la lumière par les particules. Pour éviter ce problème, il faut une mesure à la longueur d’onde de la raie de résonance. On se place à une longueur d’onde complètement différente de la raie de résonance, le métal

n’absorbe plus, On fait la différence des 2 mesures : d’où l’absorption du métal que l’on veut doser.

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Les interférences

D’ionisations

Les interférences d’ionisation se rencontrent lorsque l’analyte est un élément facilement ionisable, car tout atome qui s’ionise ne peut plus être dosé. On choisit donc des conditions

Afin d’éviter l’ionisation, on ajoute dans la solution à doser des éléments qui s’ionisent davantage

de température qui permettent d’éviter l’ionisation. Cependant, on ne peut pas toujours l’éviter : la présence d’un

autre élément plus facilement ionisable modifie l’équilibre d’ionisation de l’analyte. Il peut être ajouté volontairement afin

(exemple : si on veut doser des alcalino-terreux on ajoute un alcalin ou bien dans le cas des alcalins, un

sel de tantale Ta).

de diminuer l’ionisation de l’analyte (effet tampon) et donc accroître l’absorbance.

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Grandeurs caractéristiques La sensibilité En spectrométrie atomique, la sensibilité ou concentration caractéristique est la concentration exprimée en mg/L qui conduit à une absorption de 1% c’est-à-dire une absorbance égale à A= 0,0044. 𝐶é𝑡𝑎𝑙𝑜𝑛 ×0,0044 Sensibilité (mg/L) =𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑚𝑒𝑠𝑢𝑟é𝑒

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La limite de détection La limite de détection correspond à la concentration de l’élément qui donne un signal dont l’intensité est définie sur la base de trois fois l’écart-type d’une série de mesures faites pour le blanc analytique ou sur une solution très diluée (degré de confiance de 95 %). Concrètement, les concentrations doivent être au moins dix fois supérieures pour avoir des mesures fiables.

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Les applications de la spectroscopie atomique ANALYSE ÉLÉMENTAIRE Analyse environnementales : Sols, plantes … Analyse des denrées alimentaires : Métaux dans le poisson, les céréales. Métallurgie et pétrochimie : La céramique, le verre, les alliages, le pétrole … Médecine : Métaux lourds dans les cheveux, les ongles … Industrie pharmaceutique : Matière première et produit finis.

2. APPLICATIONS ALIMENTAIRE : ANALYSE QUALITATIVE ET QUANTITATIVE Identification et dosage des substances actives ou des principes actifs lors du contrôle des qualites premières ou des produits finis à base de minéraux, Contrôle des impuretés élémentaires et des métaux lourds qui ont pour origines : - Les catalyseurs et les réactifs métalliques. - Les lignes de production et de transfert - Le conditionnement - L’environnement - Les solvants utilisés pour le nettoyage

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Les avantages et les inconvénients Avantages

Inconvénients

 Simplicité  Possibilité de faire une analyse de composition même si l’échantillon est inconnu au départ  Raies d’émission beaucoup plus intenses (méthode sensible)  Analyse simultanée de plusieurs éléments

X Méthode limitée par l’énergie d’excitation X Seuls les alcalins et certains alcalino-terreux sont facilement excitables X Manipulation des gaz

 Une technique multiélément (Intérêt Lors de l’analyse d’un petit échantillon) Rapidité -Limite de détection (LDD) Très bonne pour la plupart des éléments Technique très énergétiques - La détermination des nonmétaux comme le chlore, le brome, l’iode et le soufre.

X Interférence spectrales X Cout relativement élevé

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Merci pour votre attention

Questions ?