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Alors, comment pouvons-nous distinguer les choses si elles ne sont pas étiquetées ? Les chimistes utilisent une technique appelée analyse élémentaire pour déterminer la composition des composés. Grâce à cette technique, il serait facile de faire la différence entre le sucre et le sel et d'éviter un autre café gâché ! Dans cet article, nous allons examiner l'analyse élémentaire et toutes ses utilisations en chimie.
- Cet article traite de l'analyse élémentaire.
- Tout d'abord, nous discutons des différentes applications de l'analyse élémentaire.
- Ensuite, nous abordons ses différentes méthodes.
- Ensuite, nous décrivons une procédure générale.
- Enfin, nous découvrirons la formule utilisée dans l'analyse élémentaire et nous donnerons un exemple.
Applications de l'analyse élémentaire
L'analyse élément aire est un processus qui consiste à analyser un échantillon pour en déterminer la composition élémentaire et parfois isotopique.
Lesisotopes sont des formes différentes du même élément avec le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons
Dans le cas de la composition isotopique, il s'agit de déterminer la quantité des différents isotopes. Par exemple, la quantité de carbone 12 par rapport au carbone 14.
La première chose à laquelle il faut penser en ce qui concerne l'analyse élémentaire, c'est de comprendre pourquoi tu utiliserais cette technique. L'une des utilisations les plus importantes est celle des échantillons de tissus ou de sang. Si tu as besoin de savoir à quels éléments un échantillon de tissu ou de sang a été exposé, tu utiliseras l'analyse élémentaire pour le déterminer. Dans la discipline de la toxicologie, l'analyse élémentaire est une technique souvent utilisée pour analyser les substances.
L'analyse élémentaire a de nombreuses applications dans de nombreux secteurs scientifiques, tels que l'industrie pharmaceutique, la recherche, la géologie, la science des matériaux, la science de l'environnement et bien d'autres encore. Si une analyse en vrac doit être effectuée, comme dans l'industrie pharmaceutique, la méthode la plus courante est la fluorescence X. L'analyse élémentaire est une technique analytique cruciale dans de nombreux domaines de recherche et est utilisée dans le monde entier comme premier moyen d'analyser la composition élémentaire des substances.
Méthodes d'analyse élémentaire
Maintenant que nous savons pourquoi quelqu'un a recours à l'analyse élémentaire, intéressons-nous au comment .
Il existe quatre méthodes standard pour effectuer une analyse élémentaire à l'aide d'instruments:
- La fluorescence des rayons X.
- Absorption atomique.
- Plasma à couplage inductif - spectrométrie de masse.
- plasma inductif - spectroscopie d'émission optique.
Chacune de ces techniques d'analyse a ses propres avantages, et les quatre sont couramment utilisées dans les laboratoires du monde entier.
La spectrométrie de masse est la méthode la plus courante pour effectuer une analyse élémentaire (nous verrons également un exemple plus tard). Comme il s'agit de la méthode la plus courante, nous allons nous plonger un peu plus dans le détail et passer en revue les différentes étapes :
- Un échantillon est ionisé - en général, un électron est perdu pour former un cation (ion chargé positivement).
- Les ions sont triés et séparés en fonction de leur masse et de leur charge.
- Les ions séparés sont mesurés et les données sont affichées sur un graphique.
- Les données comporteront la masse/charge (m/z) sur l'axe des x et l'abondance relative sur l'axe des y.
Tu trouveras ci-dessous une image d'un spectromètre de masse :
Fig. 1 - Un spectromètre de masse.
La spectrométrie de masse permet d'obtenir des résultats sur la composition en pourcentage de chaque élément (dont nous parlerons plus tard), qui sont utilisés pour déterminer la formule chimique moléculaire.
La formule chimique moléc ulaire nous donne le rapport exact des éléments. Cette formule est différente de la formule chimique empirique, , qui nous indique le plus petit rapport d'éléments au sein d'une molécule. Par exemple, la formule empirique nous donnerait NO2, alors que la formule moléculaire est en fait N2O4.
Procédure d'analyse élémentaire
Maintenant que nous connaissons les différentes méthodes, voyons comment les utiliser. Lorsqu'on effectue une analyse élémentaire, il existe deux types d'analyse : une analyse qualitative et une analyse quantitative.
L'analyse qualitative se concentre sur la détermination des éléments présents dans un échantillon, tandis que l'analyse quantitative mesure la quantité de chaque élément dans l'échantillon.
La procédure générale d'analyse qualitative est la suivante :
- Choisis une méthode à utiliser pour l'échantillon.
- En utilisant la méthode choisie, tu obtiens l'identité des éléments.
La procédure quantitative est la même, sauf qu'elle mesure le pourcentage de composition.
Le pourcentage decomposition est le pourcentage total d'un élément dans une molécule.
- Choisis une méthode à utiliser pour l'échantillon
- En utilisant la méthode choisie, obtenir le pourcentage de composition
- À l'aide de la composition en pourcentage, calcule la formule empirique ou moléculaire (selon la méthode choisie).
Formule d'analyse élémentaire
Quelle que soit la méthode utilisée, un tableau indiquant la composition en pourcentage sera établi.
L'absorption atomique a permis d'obtenir les pourcentages de composition suivants : 40,9 % de carbone (C), 4,57 % d'hydrogène (H) et 54,5 % d'oxygène (O). Quelle est la formule empirique de l'échantillon ?
Notre première étape consiste à convertir un pourcentage en grammes. Nous pouvons supposer que la quantité totale en grammes est de 100 g. Techniquement, nous pouvons choisir n'importe quelle quantité puisque le rapport sera le même, mais cette méthode est plus simple. En effectuant cette conversion, nous obtenons :
\(100\,g*40.9\%=40.9\,g\,C\)
\(100\,g*4.57\%=4.57\,g\,H\)
\(100\,g*54.5\%=54.5\,g\,O\)
Ensuite, nous devons convertir en moles. En effet, la formule empirique (et toutes les formules chimiques) est exprimée en unités de moles. Pour ce faire, tu divises le nombre de moles par la masse atomique de chaque élément, qui est la quantité de grammes de l'élément par mole. C'est aussi le poids indiqué sous l'élément dans le tableau périodique.
\(\frac{40.9\,g}{\frac{12.01\,g}{mol}}=3.41\,mol\,C\)
\(\frac{4.57\,g}{\frac{1.01\,g}{mol}}=4.52\,mol\,H\)
\(\frac{54.5\,g}{\frac{16.00\,g}{mol}}=3.41\,mol\,O\)
Notre dernière étape consiste à diviser chaque quantité molaire par la plus petite variable. Nous obtiendrons ainsi le rapport entre les éléments.
\(\frac{3.41\,mol\,C}{3.41}=1\,C\)
\(\frac{4.52\,mol\,H}{3.41}=1.33\,H\)
\(\frac{3.41\,mol\,O}{3.41}=1\,O\)
Nous avons un rapport de 1:1,33:1 ; cependant, les formules chimiques sont des nombres entiers. Que faisons-nous alors ? Nous multiplions notre rapport par le plus petit nombre possible pour obtenir des nombres entiers. Dans ce cas, ce nombre est 3.
\N(1\N,C*3=3\N,C\N)
\N- (1.33\N,H*3=4\N,H\N)
\N(1\N,O*3=3\N,O\N)
Notre formule finale est donc la suivante
\N(C_3H_4O_3\N)
Il est important de noter que le calcul de la formule moléculaire se fait de la même façon, sauf que nous utilisons des quantités exactes en grammes et non des quantités estimées.
Prenons un exemple :
En utilisant l'absorption atomique, on a obtenu les données suivantes sur la composition en pourcentage : 85,6 % de carbone (C) et 14,4 % d'hydrogène (H). Quelle est la formule moléculaire de l'échantillon si la masse totale est de 84,16 g ?
Puisque nous connaissons la masse réelle, nous allons multiplier les pourcentages par cette masse :
\(84.16\,g*85.6\%=72.1\,g\,C\)
\(84.16\,g*14.4\%=12.1\,g\,H\)
Nous allons maintenant convertir les grammes en moles :
\(\frac{72.1\,g}{\frac{12.01\,g}{mol}}=6\,mol\,C\)
\(\frac{12.1\,g}{\frac{1.01\,g}{mol}}=12\,mol\,H\)
La formule moléculaire est donc :
\(C_{6}H_{12}\)
Exemple d'analyse élémentaire
Maintenant que nous avons couvert toutes les notions de base, il est temps de donner un exemple !
Un échantillon gazeux inconnu a été analysé à l'aide d'un spectromètre de masse, ce qui a donné les données ci-dessous. Quelle est la formule moléculaire de l'échantillon ?
Fig. 2 - Données de spectrométrie de masse pour un échantillon inconnu.
Notre première étape consiste à comprendre ce que ces données nous disent. La spectrométrie de masse décompose les choses en fragments, pas nécessairement en éléments, de sorte que chaque pic est un fragment ou un élément. Le pic qui a une intensité de 100 % est le pic de la molécule elle-même, nous savons donc que la molécule entière a une masse de 44 g.
Cela signifie que les autres pics sont soit des éléments, soit des fragments (c'est-à-dire des molécules plus petites). Étiquettons chaque pic, de gauche à droite.
Le premier pic est de 12 g, ce qui signifie qu'il s'agit de carbone, dont la masse atomique est de 12 g/mol. Le deuxième pic est de 16 g, il s'agit donc d'oxygène (l'oxygène a une masse atomique de 16 g/mol).
Passons maintenant au pic de 28 g. Il pourrait s'agir de silicium ou de monoxyde de carbone (CO), qui ont tous deux une masse de 28 g/mol. Nous savons que cet échantillon est un gaz, il est donc plus probable qu'il s'agisse de CO et non de silicium (qui est généralement un solide). C'est également logique puisque la masse totale de l'échantillon est de 44 g et que la masse de C+O+Si est de 56 g.
Maintenant que nous connaissons nos pics, nous pouvons déterminer l'identité de l'échantillon. Nous savons donc que la molécule contient deux éléments : C et O, nous pouvons donc soustraire ces masses de la masse totale.
\(44-(12.00+16.00)=16.00\)
Puisqu'il reste 16 g, cela signifie qu'un autre atome d'oxygène est présent, la formule complète est donc \(CO_2\).
Analyse élémentaire - Principaux enseignements
- L'analyse élémentaire est un processus qui consiste à analyser un échantillon pour en déterminer la composition élémentaire et parfois isotopique.
- La formule chimique moléculaire nous donne le rapport exact des éléments. Elle diffère de la formule chimique empirique, qui nous indique le plus petit ratio d'éléments au sein d'une molécule.
- L'analyse qualitative s'attache à déterminer quels éléments se trouvent dans un échantillon, tandis que l'analyse quantitative mesure la quantité de chaque élément dans l'échantillon.
- Lacomposition en pourcentage est le pourcentage total d'un élément dans une molécule.
- Les étapes de base de l'analyse élémentaire sont les suivantes :
- Choisis une méthode à utiliser pour l'échantillon.
- En utilisant la méthode choisie, obtenir la composition en pourcentage.
- À l'aide de la composition en pourcentage, calcule la formule empirique ou moléculaire (selon la méthode choisie).
Références
- Fig. 1 - Un spectromètre de masse (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/50/Thermo_-_Finnigan_LCQ_Mass_Spectrometer_%2815797493459%29.jpg/640px-Thermo_-_Finnigan_LCQ_Mass_Spectrometer_%2815797493459%29.jpg) par Kitmondo LAB (https://www.flickr.com/people/129143611@N03) sous licence CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/)
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