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Travaux Pratique Julien Hutin<br />
Chimie Analytique Laurent Beget<br />
Semestre d’hiver 1999 Alexandre Myalou<br />
Etude de Ca 2+ par <strong>absorption</strong><br />
atomique avec flamme<br />
et<br />
Dosage de Cd 2+ par <strong>absorption</strong><br />
atomique sans flamme<br />
I. Introduction :<br />
Dans cette expérience, nous allons utiliser deux techniques basées sur le même principe :<br />
l’<strong>absorption</strong>. La différence entre ces deux techniques est la méthode de transformation des<br />
constituants à analyser en leurs atomes respectifs (sous la forme d’un nuage gazeux, à l’état<br />
électronique fondamental). Ce changement fait de l’<strong>absorption</strong> atomique sans flamme une<br />
méthode beaucoup plus sensible.<br />
En spectrophotométrie d’<strong>absorption</strong> atomique avec flamme, la solution est aspirée en<br />
continu dans un nébuliseur qui la transforme en brouillard fin. Ce brouillard est ensuite aspiré<br />
vers le brûleur, où la flamme évapore l’eau et casse les molécules en atomes isolés.<br />
L’instrument utilisé dans cette expérience fonctionne sur le principe du double faisceau, ce<br />
qui permet d’éviter de subir les fluctuations de la lampe. Les problèmes inhérents à la mesure<br />
d’un signal vont être mis en évidence lors de la première partie de l’expérience, et par la suite,<br />
nous mesurerons le calcium contenu dans l’eau de l’Arve et dans un sérum par étalonnages<br />
externe et interne.<br />
En spectrophotométrie d’<strong>absorption</strong> atomique sans flamme, un faible volume de solution<br />
est injecté dans un four de graphite chauffé électriquement. Par paliers de température, l’eau de<br />
l’échantillon est lentement évaporée, puis la matière organique est carbonisée, et finalement, les<br />
sels minéraux sont immédiatement atomisés en leurs atomes individuels. La mesure est effectuée<br />
lors de l’atomisation.
Au cours de cette expérience, nous allons doser le cadmium présent dans l’eau de l’Arve,<br />
le cadmium total et libre présent dans différents échantillons de terres.<br />
II. Appareillage et solutions :<br />
Absorption atomique avec flamme :<br />
• Spectrophotomètre (Perkin-Elmer 430)<br />
• Installation de filtration, avec membranes de porosité 0,45 [µm] en nitrate de cellulose<br />
(∅90 [mm])<br />
• Solution stock (25 [ml]) de Ca 2+ à 1000 ppm dans HCl à 0,01 [M]<br />
• Solution stock de HCl à 1 [M]<br />
• H3PO4, La(NO3).6H2O, NaCl, CH3CH2OH<br />
• Eau de l’Arve fraîchement prélevée<br />
• Sérum de contrôle lyophilisé<br />
III. Optimisation des paramètres instrumentaux :<br />
Nous préparons une solution de 100 [ml] contenant 5 ppm de Ca 2+ dans du HCl 10 -2 [M] et<br />
une autre de 250 [ml] de HCl 10 -2 [M].<br />
Nous allumons la flamme du spectrophotomètre, réglons le débit d’air à 30 [u] et celui<br />
d’acétylène à 20 [u]. Nous mesurons l’absorbance de la solution de calcium pour des hauteurs de<br />
brûleurs allant de 1 tour à 10 tours en réglant A = 0 avec la solution de HCl 10 -2 [M].<br />
tour Absorbance<br />
1 0,202<br />
2 0,23<br />
3 0,252<br />
4 0,27<br />
5 0,265<br />
6 0,24<br />
7 0,2<br />
8 0,152<br />
Nous choisissons 4 tours comme hauteur optimale (cf. graphique 1), elle a, en effet,<br />
l’absorbance la plus élevée. La flamme est composée d’une zone oxydante et d’une zone<br />
réductrice (où le Ca 2+ est réduit en Ca 0 ) et son efficacité est maximale à 4 tours.<br />
A 4 tours, nous mesurons l’absorbance de la solution de Ca 2+ à 5 ppm pour des débits<br />
d’acétylène allant de 10 [u] à 22 [u] en réglant A = 0 avec la solution de HCl 10 -2 [M].<br />
Débit<br />
d'acétylène [u]<br />
Absorbance<br />
10 0,003<br />
13 0,027
16 0,112<br />
19 0,24<br />
22 0,291<br />
Nous remarquons que le débit optimal de l’acétylène sans présence d’éthanol est de 22 [u]<br />
(cf. graphique 2), ce qui signifie que plus le débit d’acétylène est élevé, plus la chaleur sera<br />
élevée et plus le signal sera fort. Donc nous utiliserons le débit d’acétylène le plus élevé.<br />
Nous préparons une solution de 100 [ml] contenant Ca 2+ à 5 ppm dans du HCl à 10 -2 [M] et<br />
CH3CH2OH à 50% (v/v) ainsi qu’une solution de 100 [ml] contenant HCl à 10 -2 [M] et<br />
CH3CH2OH à 50%. Aux conditions optimales découvertes précédemment, nous mesurons<br />
l’absorbance de la solution de calcium dans de l’éthanol pour des débits d’acétylène allant de 10<br />
[u] à 22 [u], en réglant A = 0 avec la solution de HCl à 10 -2 [M] et CH3CH2OH à 50%.<br />
Nous traçons A=f(débit d’acétylène)<br />
débit<br />
d'acétylène [u]<br />
Absorbance<br />
10 0,009<br />
13 0,054<br />
16 0,136<br />
19 0,246<br />
22 0,2<br />
Nous remarquons que le débit optimal (19 [u], cf. graphique 3) n’est pas le même que<br />
précédemment, car il y a présence de solvant organique, qui, lors de sa combustion, dégage du<br />
gaz carbonique, ce qui impose un débit différent. On peut aussi considérer l’alcool comme un<br />
carburant qui dopera la chaleur de la flamme.<br />
IV. Etude des interférences :<br />
Nous préparons 5 solutions de 25 [ml] contenant :<br />
• Ca 2+ à 5 ppm dans du HCl à 10 -2 [M] (1)<br />
• Ca 2+ à 5 ppm et PO4 3- à 10 ppm dans du HCl à 10 -2 [M] (2)<br />
• Ca 2+ à 5 ppm, PO4 3- à 10 ppm et 50 [mg] de La(NO3).6H2O dans du HCl à 10 -2 [M] (3)<br />
• Ca 2+ à 5 ppm et 50 [mg] de La(NO3).6H2O dans du HCl à 10 -2 [M] (4)<br />
• Ca 2+ à 5 ppm et 10 [mg] de NaCl dans du HCl à 10 -2 [M] (5)<br />
Nous mesurons l’absorbance des 5 solutions en prenant HCl à 10 -2 [M] comme blanc.<br />
Solution n°X Absorbance<br />
1 0,26<br />
2 0,200<br />
3 0,203<br />
4 0,265<br />
5 0,283<br />
Quand nous ajoutons des phosphates, nous remarquons que l’absorbance diminue, car le<br />
calcium forme des complexes avec les phosphates. De plus, ces complexes sont thermiquement<br />
stables et résistants à l’atomisation, ce qui induit une décroissance de l’absorbance
Quand nous ajoutons des phosphates et du lanthane, il y a compétition entre deux<br />
réactions : la formation d’un complexe de lanthane avec les phosphates ou celle d’un complexe<br />
de calcium et de phosphates, cela a comme effet de libérer un peu plus de calcium ionisé, qui va<br />
induire une légère augmentation de l’absorbance.<br />
Quand nous ajoutons du NaCl ou du lanthane, l’absorbance du sodium (ou du lanthane)<br />
interfère avec celle du calcium, ce qui induira une augmentation de l’absorbance, car le calcium<br />
a l’énergie d’ionisation la plus faible.<br />
V. Dosage du Ca 2+ dans de l’eau de l’Arve :<br />
Le dosage s’effectue avec les conditions optimales trouvées grâce aux tests précédents : 4<br />
tours de manivelle, un débit d’acétylène de 22 [u]. Comme l’eau de l’Arve est relativement<br />
calcaire, nous devons la diluer pour obtenir des concentrations mesurables.<br />
Nous filtrons ~1 litre d’eau de l’Arve brute sur une membrane de porosité 0,45 [µm] et<br />
nous récupérons le filtrat.<br />
◊ Courbe de calibration externe :<br />
Nous préparons huit solutions de 25 [ml] avec des concentrations en calcium comprises<br />
entre 10 -5 [M] et 5.10 -4 [M], puis nous mesurons leurs absorbance en réglant A = 0 avec la<br />
solution de HCl à 10 -2 [M]. Finalement nous établissons la droite de calibration externe du<br />
calcium.<br />
En regardant les résultats obtenus précédemment pour les solutions de calcium à 5 ppm et<br />
le tableau synaptique des Services Industriels de Genève, nous trouvons qu’il faut diluer 12,5<br />
fois l’eau de l’Arve afin d’obtenir des résultats exploitables.<br />
Absorbance [Ca]<br />
0,018 1,00E-05<br />
0,022 2,00E-05<br />
0,09 4,00E-05<br />
0,13 6,00E-05<br />
0,163 8,00E-05<br />
0,196 1,00E-04<br />
0,425 2,50E-04<br />
0,725 5,00E-04<br />
0,208 Eau de l’Arve<br />
Grâce à la pente de la courbe de calibration externe(cf. graphique 4) et à l’absorbance de<br />
l’eau de l’Arve, nous pouvons calculer la concentration de calcium de notre échantillon et par la<br />
suite, celle de l’eau de l’Arve. Nous trouvons une concentration de 1,248.10 -4 [M] dans 25 [ml]<br />
de notre solution, ce qui signifie qu’il y a une concentration de calcium dans l’eau (12,5 fois plus<br />
élevée que dans l’échantillon) de l’Arve de 1,56.10 -3 [M] ou 62,4 [mg/l].<br />
Ce qui se trouve être un bon résultat, proche de la mesure des Services Industriels<br />
Genevois (62,2 [mg/l]).<br />
◊ Etalonnage interne :<br />
Nous préparons huit échantillons de 25 [ml] de filtrat, dilués 50 fois et acidifiés ([HCl] 10 -2<br />
[M]). Nous ajoutons des volumes croissants mais négligeables de solution stock de calcium à 5
ppm. Nous mesurons l’absorbance des huit échantillons en utilisant comme blanc la solution de<br />
HCl à 10 -2 [M].<br />
La mesure, où 250 [µl] de calcium sont ajoutés, est fausse, nous avons ajouté ~500 [µl].<br />
Absorbance [µl] de Ca 2+ ajoutés [mg] de Ca 2+ ajoutés<br />
0,058 0 0<br />
0,241 100 0,0005<br />
0,346 200 0,001<br />
(0,77) (250) (0,00125)<br />
0,527 300 0,0015<br />
0,6 350 0,00175<br />
0,65 400 0,002<br />
0,764 500 0,0025<br />
Nous avons directement transformé les [µl] ajoutés en [mg] ajoutés, ce qui nous permet<br />
d’avoir un calcul plus simple. En effet, La valeur absolue de l’ordonnée à l’origine nous donne la<br />
quantité de calcium de départ contenue dans notre échantillon, qui est de 0,003 [mg](cf.<br />
graphique 5). Comme nous l’avons dilué 50 fois, nous avons 0,15 [mg] dans 25 [ml], ce qui<br />
donne une concentration totale de 6 [mg/l]. Ce qui est étrange, c’est que normalement, c’est par<br />
cette méthode que l’on obtient les meilleurs résultats, car la calibration interne permet de tenir<br />
compte des impuretés contenues dans la solution.<br />
L’erreur doit provenir du manque de précision de l’ordonnée à l’origine.<br />
VI. Dosage de Ca 2+ dans le sérum :<br />
Nous reconstituons un sérum de contrôle en ajoutant 5 [ml] d’eau bidistillée dans le flacon<br />
et nous agitons afin de solubiliser le sérum.<br />
Nous préparons 5 échantillons de 25 [ml] contenant 250 [µl] de sérum et nous ajoutons aux<br />
4 derniers des volumes croissants mais négligeables de la solution stock de calcium.<br />
Nous mesurons l’absorbance des 5 échantillons en prenant comme blanc l’eau bidistillée.<br />
Absorbance [µl] de Ca 2+<br />
[µg] de Ca<br />
ajoutés<br />
2+<br />
ajoutés<br />
0,045 0 0<br />
0,21 100 0,0005<br />
0,46 250 0,00125<br />
0,52 350 0,00175<br />
0,64 500 0,0025<br />
Comme nous avons une calibration interne, le calcul est presque le même :<br />
Nous avons comme ordonnée à l’origine 0,003(cf. graphique 6) ; comme nous l’avons<br />
dilué cent fois, nous avons 0,3 [mg] dans 25 [ml], donc 12 [mg/l], ce qui est trop élevé, mais<br />
nous avons dû faire une erreur lors de la préparation de la solution.
VII. Appareillage et solutions :<br />
Absorption atomique sans flamme<br />
• Spectrophotomètre (Perkin-Elmer 2280)<br />
• Plaque chauffante, centrifugeuse<br />
• Installation de filtration, avec membranes de porosité 0,45 [µm] en nitrate de cellulose<br />
(∅90 [mm])<br />
• Solution stock (25 [ml]) de Cd 2+ à 1000 ppm<br />
• Solution stock de NaNO3 suprapur à 0,1 [M], et de HNO3 suprapur à 2 [M]<br />
• Eau de l’Arve fraîchement prélevée, terres recueillies à Chenevriers<br />
VIII. Conditionnement de la verrerie :<br />
Comme il n’y a pas une grande concentration de cadmium (0-2,5 ppb), il est nécessaire de<br />
conditionner toute la verrerie utilisée lors de cette expérience.<br />
La veille de la préparation des échantillons, nous remplissons toute la verrerie d’une<br />
solution de HNO3 suprapur à 10 -2 [M], nous laissons tremper toute la nuit et le lendemain, mous<br />
rinçons abondamment la verrerie avec de l’eau bidistillée.<br />
IX. Préparation des échantillons (eau d’Arve, terres) :<br />
◊ Cadmium total dans l’Arve :<br />
Après avoir lavé le filtre avec un litre d’eau bidistillée, nous filtrons l’eau de l’Arve et nous<br />
acidifions le filtrat avec du HNO3 suprapur à 2 [M] (concentration finale de l’acide 2.10 -2 [M] ;<br />
volume des échantillons 25 [ml]).<br />
◊ Cadmium libre dans la tranche superficielle de terre (0-5 cm) :<br />
Nous pesons 0,5128 [g] de terre, nous y ajoutons 1,25 ml de NaNO3 suprapur à 10 -1 [M] et<br />
nous laissons reposer pendant deux heures. Nous centrifugeons la solution et nous récupérons le<br />
surnageant. Nous ajustons le volume de ce dernier à 5 [ml] avec de l’eau bidistillée.<br />
◊ Cadmium total dans les terres :<br />
Nous pesons ~ 0,5 [g] de terre et nous plaçons ces échantillons dans des tubes en<br />
polypropylène. Nous y ajoutons lentement 5 [ml] de HNO3 suprapur à 2 [M].<br />
Profondeur de la terre [cm] Masse de la terre [g]<br />
0-5 0,5001<br />
5-10 0,5085<br />
10-15 0,5012<br />
15-20 0,5056<br />
20-25 0,5042
25-30 0,5042<br />
Nous chauffons la solution à 80°-90° durant trois heures. Nous centrifugeons les<br />
échantillons, récupérons les phases surnageantes et les diluons cent fois avec de l’eau bidistillée.<br />
◊ Cadmium provenant de la contamination :<br />
A la fin de la deuxième journée, nous préparons une solution de 2.10 -2 [M] d’HNO3<br />
suprapur. Nous laissons l’échantillon ouvert sur notre table de travail pendant 22 heures.<br />
X. Dosage de Cd 2+ :<br />
Nous préparons pour le dosage du cadmium total, six solutions (25 [ml]) contenant du Cd 2+<br />
à des concentrations comprises entre 0 et 2,5 ppb dans de l’acide nitrique suprapur à 2.10 -2 [M]<br />
(cf. graphique 7).<br />
Nous préparons pour le dosage du cadmium libre, six solutions (25 [ml]) contenant du<br />
Cd 2+ à des concentrations comprises entre 0 et 2,5 ppb dans du NaNO3 suprapur à 2,5.10 -2 [M]<br />
(cf. graphique 8).<br />
Matière analysée Absorbance ppb Cd total ppb Cd Masse terre [g] Teneur<br />
libre<br />
[mg/kg]<br />
Eau de l’Arve 0,005 4,85E-02 --- --- ---<br />
" 0,005 4,85E-02 --- --- ---<br />
Cadmium libre 0,007 --- 0,131768 --- ---<br />
Terres/0 à 5[cm] 0,007 6,79 --- 0,5001 0,05433<br />
5 à 10[cm] 0,006 5,82 --- 0,5085 0,04580<br />
10 à 15[cm] 0,04 38,81 --- 0,5012 0,30977<br />
15 à 20[cm] 0,088 85,39 --- 0,5056 0,67557<br />
20 à 25[cm] 0,054 52,40 --- 0,5042 0,41570<br />
25 à 30[cm] 0,041 39,78 --- 0,5042 0,31563<br />
Contamination 0,008 7,76E-02 --- --- ---<br />
Les échantillons de terre de 5 à 10, 20 à 25, 25 à 30 [cm] se sont renversés dans le bainmarie,<br />
donc ils sont plus dilués.<br />
Nous remarquons que les concentrations en cadmium et pour les terres sont en dessous des<br />
normes du Service Industriels.<br />
La concentration de cadmium pour les terres augmente avec la profondeur de celle-ci.<br />
La mesure de la contamination montre qu’il faut bien conditionner la verrerie, sinon<br />
l’erreur sur la mesure est assez grande ; il y aurait eu plus de cadmium dans cet échantillon que<br />
dans l’eau de l’Arve. Cette contamination provient du fait que l’on ne travaille pas sous chapelle<br />
en labo et que du cadmium est présent dans l’air (cf. Tableau du Service Industriel).<br />
XI. Conclusion :<br />
Nous avons pu, lors de cette expérience, découvrir les différents facteurs influençant<br />
l’<strong>absorption</strong> atomique sans flamme, faire nos mesures « habituelles » de la teneur en calcium de<br />
l’eau de l’Arve.<br />
Nous avons pu aussi découvrir l’<strong>absorption</strong> atomique sans flamme pour nos analyses sur le<br />
cadmium.