TP DOSAGE DE Na+ ET K+ PAR EMISSION DE FLAMME

Travaux pratiques de chimie analytique Chimistes et Biochimistes – 3eme année

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SPECTROPHOTOMETRIE D'EMISSION ATOMIQUE DOSAGE DE Na+ ET K + PAR EMISSION DE FLAMME

INTRODUCTION Cette expérience permet de mettre en évidence les caractéristiques distinctes de techniques d'émission de flamme. L'étude portera sur des échantillons d'eau de l'Arve pour montrer l'intérêt de cette techniques dans l'analyse d'échantillons complexes. L'émission de flamme est une technique spécifique (ne permettant l'étude que d'un seul élément à la fois) où les phénomènes d'émission interviennent au niveau des électrons des couches de valence valence (énergies UV-visible), qui nécessite de transformer les composés moléculaires en leurs atomes constitutifs avant de mesurer leur rayonnement. L'excitation des atomes (transfert d'un électron d'une couche de valence vers une orbitale d'énergie supérieure) a lieu au sein de la flamme. APPAREILLAGE ET SOLUTIONS n n n n

Spectrophotomètre (Perkin-Elmer 430). Installation de filtration, avec membranes de porosité 0,45 µm en nitrate de cellulose (diamètre 90 mm). Solutions stock de NaCl à 0,01 M et de KCl à 0,01 M. Eau de l'Arve fraîchement prélevée.

DOSAGE DU SODIUM ET DU POTASSIUM DANS L'EAU DE L'ARVE Filtrez l'eau de l'Arve brute sur une membrane membrane de porosité porosité 0,45 µm (diamètre 90 mm) et récupérez le filtrat. Préparez, pour chaque élément à mesurer, six solutions étalon (10 ml) de concentration comprise entre 10-5 mol/L et 10 -3 mol/L. Optimisez les réglages du spectrophotomètre (lémission, débit d'acétylène, hauteur du brûleur, sensibilité du photomultiplicateur) avec de l'eau de l'Arve filtrée (voir la notice d'utilisation sur l'instrument). Mesurez ensuite l'émission des étalons et de l'échantillon en utilisant de l'eau bidistillée comme blanc. Effectuez les réglages pour chacun des deux éléments à doser. Tracez les courbes de calibration externe pour le sodium et pour le potassium, et calculez la concentration de ces deux éléments dans l'eau de l'Arve filtrée. Comparez vos résultats aux valeurs présentées dans le tableau synoptique des Services Industriels de Genève. REFERENCES UTILES Tableau synoptique de l'analyse des eaux de l'Arve ; Services Industriels de Genève ( 1989).


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C. Bergerioux, W. Haerdi ; Coprecipitation of dissolved trace elements with combined organic precipitating reagent for use in X-ray fluorescence analysis ; Analusis 8 ( 1980), 169-173. J.A. Cooper ; Interpretation of energy-dispersive X-ray spectra ; Int. Lab. ( may-june 1977 ), 51-66.


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SPECTROPHOTOMETRIES D'ABSORPTION ATOMIQUE: ETUDE DE Ca2+ PAR ABSORPTION ATOMIQUE AVEC FLAMME DOSAGE DE Cd2+ DANS L'EAU DE L'ARVE ET DU Pb2+ DANS LE SANG PAR ABSORPTION ATOMIQUE ATOMIQUE SANS FLAMME

INTRODUCTION Les deux techniques utilisées dans cette expérience sont basées sur le même principe : l'absorption, par les atomes à doser, de radiations électromagnétiques d'énergie caractéristique produites par une lampe à cathode creuse, cathode constituée de l'élément que l'on désire doser. Seule la manière de transformer les constituants des solutions, en leurs atomes respectifs (sous forme d'un nuage gazeux à l'état électronique fondamental), diffère entre les deux techniques; cette différence dans le mode d'atomisation fait de l'absorption atomique sans flamme une technique beaucoup plus sensible. En spectrophotométrie d'absorption atomique avec flamme , la solution est aspirée en continu dans un nébuliseur, qui transforme la solution en un brouillard fin. Ce brouillard est alors aspiré vers le brûleur, où la flamme va rapidement évaporer l'eau et casser les molécules en leurs atomes individuels. L'instrument utilisé dans cette expérience fonctionne sur le principe du double faisceau, ce qui permet de s'affranchir des fluctuations du faisceau de la lampe. Par cette technique, les problèmes inhérents à la mesure du signal (optimisation des paramètres instrumentaux, étude des interférences) seront mis en évidence, puis le calcium présent dans un sérum sera dosé par étalonnages externe et interne. En spectrophotométrie d'absorption atomique sans flamme , un faible volume de solution est injecté dans un four de graphite chauffé électriquement. Par paliers de température, l'eau de l'échantillon est lentement évaporée, puis la matière organique éventuellement présente est lentement carbonisée, avant que les sels minéraux soient instantanément atomisés en leurs éléments individuels. Le signal d'absorption est mesuré durant cette courte étape d'atomisation. Le cadmium total présent dans l'eau de l'Arve, seront déterminés par cette technique au moyen de schémas analytiques déjà optimisés.

ABSORPTION ATOMIQUE AVEC FLAMME

APPAREILLAGE ET SOLUTIONS n n n n n

Spectrophotomètre. Solution stock de HCl 1 mol/L. Solution stock (10 ml) de Ca 2+ à 1000 ppm contenant 1.10 -2 mol/L d'HCl. H3PO4, La(NO3)3, NaCl, CH3CH3OH. Sérum de contrôle lyophilisé.


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OPTIMISATION DES PARAMETRES INSTRUMENTAUX Réglez le spectrophotomètre (tension et alignement de la lampe à cathode creuse, longueur d'onde du monochromateur, amplification du photomultiplicateur ; voir la notice d'utilisation sur l'instrument). Préparez 100 ml d'une solution contenant 5 ppm de Ca 2+ et 10-2 mol/L d'HCl ainsi que 250 ml d'une solution d'HCl à 10 -2 mol/L. Allumez la flamme du spectrophotomètre, en réglant les débits d'air à 30 u (unité arbitraire) et d'acétylène à 20 u. Mesurez l'absorbance de la solution de Ca 2+ à 5 ppm pour des hauteurs de brûleur allant de 1 tour à 10 tours (depuis le minimum), en prenant soin de régler A=0 à chaque hauteur avec la solution d'HCl à 10 -2 mol/L Tracez la courbe A=f(hauteur du brûleur), et déterminez la hauteur optimale. Discutez l'opportunité de cette valeur . A la hauteur optimale déterminée ci-dessus, mesurez l'absorbance de la solution de Ca2+ 5 ppm pour des débits d'acétylène allant de 10 u à 22 u, en prenant soin de régler A=0 à chaque débit de carburant avec la solution de HCl 10 -2 mol/L. Tracez la courbe A=f(débit d'acétylène) et déterminez le débit optimal. Discutez l'opportunité de ce débit. Préparez 100 ml d'une solution contenant 5 ppm de Ca 2+, 10-2 mol/L d'HCl et 50% (v/v) de CH3CH2OH, ainsi que 100 ml d'une solution d'HCl 10 -2 mol/L contenant 50% (v/v) de CH3CH2OH. A la hauteur optimale déterminée précédemment, mesurez l'absorbance de la solution de Ca2+ à 5 ppm dans l'éthanol pour des débits d'acétylène allant de 10 u à 22 u, en prenant soin de régler A=0 à chaque c haque débit de carburant avec la solution d'HCl 10-2 mol/L et 50% de CH 3CH2OH. Sur le graphique précédent tracez la courbe A=f(débit d'acétylène), et déterminez le débit optimal. Comparez ce débit au débit optimal déterminé précédemment, et discutez le rôle de l'éthanol. ETUDE DES INTERFERENCES Préparez 5 solutions de 10 ml comme suit : 2+ n 1) Ca 5 ppm + HCl 10 -2 mol/L. 2+ 5 ppm + PO 43- 10 ppm + HCl 10-2 mol/L. n 2) Ca 2+ n 3) Ca 5 ppm + PO 43- 10 ppm + 50 mg de La(NO 3)3, + HCl 10-2 mol/L. n

4) Ca2+ 5 ppm + 50 mg de La(NO 3)3 + HCl 10-2 mol/L.

n

5) Ca2 5 ppm + 10 mg de NaCl + HCl 10 -2 mol/L.

+

Mesurez l'absorbance de ces 5 solutions, en utilisant une solution de HCl 10 -2 mol/L comme blanc. Comparez et discutez clairement les résultats rés ultats obtenus. DOSAGE DE Ca 2+ DANS LE SERUM Reconstituez le sérum de contrôle en ajoutant 5 ml d'eau bidistillée dans le flacon. Agitez très doucement afin de solubiliser le sérum. Préparez 5 tubes de 10 ml contenant chacun 100 µl de sérum. Ajoutez aux 4 derniers tubes des volumes croissants (50-500 µl) d'une solution de Ca 2+ 100 ppm (préparée par dilution de la solution 1000 ppm). Mesurez l'absorbance des 5 échantillons en utilisant l'eau bidistillée comme blanc. Etablissez la droite d'étalonnage interne, et déterminez la concentration de Ca2+ dans le


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sérum. Comparez cette valeur avec celle obtenue lors de l'expérience "Electrodes sélectives" et discutez la différence. Discutez le choix d'une calibration interne plutôt que d'un étalonnage externe.

ABSORPTION ATOMIQUE SANS FLAMME

APPAREILLAGE ET SOLUTIONS n n

n n n

Spectrophotomètre (Perkin-Elmer 2380). Installation de filtration, avec membranes de porosité 0,45 µm en nitrate de cellulose (diamètre 90 mm). Solutions stock de conc. HNO 3 suprapur Solutions stock de Cd2+ à 1000 ppm. Eau de l'Arve fraîchement prélevée

CONDITIONNEMENT DE LA VERRERIE En raison des faibles concentrations de Cd 2+ (0-2,5 ppb) mesurées au cours de cette expérience, il est nécessaire de conditionner toute la verrerie que vous allez utiliser.

La veille ! de la préparation des échantillons et de la mesure par absorption atomique sans flamme, faites une liste de toute la verrerie dont vous aurez besoin (ballons jaugés, tubes de 10 ml, erlen Meyer à vide ...). Remplissez-la d'une solution de HNO3 p. a. à 0.1%, et laissez tremper toute une nuit. Le jour de l'expérience, rincez abondamment la verrerie avec de l'eau bidistillée. CADMIUM TOTAL DANS L'EAU DE L'ARVE Après avoir lavé le filtre avec 100 ml d'eau bidistillée, filtrez l'eau de l'Arve. Acidifiez le filtrat avec de l'HNO3 suprapur pour obtenir une concentration finale d'acide dans les échantillons de 0.1%, volume des échantillons : 10 ml. CADMIUM PROVENANT DE LA CONTAMINATION A la fin de la première journée de manipulation, préparez une solution (10 ml) d'HNO 3 suprapur à 0.1%. Laissez cet échantillon ouvert sur votre table de travail. Notez bien le nombre d'heures entre la préparation de l'échantillon et son analyse. Discutez l'importance de techniques "propres" lors du dosage de "parties par milliard" de cadmium. D'où provient cette contamination? DOSAGE DE Cd 2+


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Préparez 6 solutions (10 ml) contenant du Cd 2+ entre 0.5 et 5 ppb et 0.1% d’HNO 3 suprapur (20µl d’HNO3 conc. pour 10 ml de volume total). Toutes les solutions doivent être préparées par pesage (voir avec l'assistant(e)). Réglez le spectrophotomètre d'absorption atomique sans flamme dans les conditions optimales pour le dosage du cadmium (voir la notice d'utilisation de l'instrument). Mesurez les absorbances des étalons de Cd2+ et des différents échantillons (chaque mesure doit être répétée 2-3 fois afin de vérifier la reproductibilité du dosage). Tracer une courbe de calibration externe pour le dosage du Cd 2+ en milieu HNO 3 suprapur à 0.1% et déterminez les concentrations de Cd 2+ des échantillons. Comparez également la concentration de Cd2+ dans l'eau de l'Arve filtrée à la valeur indiquée dans le tableau des Services Industriels de Genève. Programme de température pour le four graphite : Etapes

Cadmium Ramp time (sec)

Hold time (sec)

Temp. (°C)

Séchage

15

20

120

Calcination Calcina tion

15

20

300

Atomisation Atomis ation

0

3

1700

Nettoyage

1

1

2500

Read

Baseline

Int flow (ml/min)

X

-5

50

N.B. Ne pas oublier d'introduire "3 t" sur le spectrophotomètre! A NOTER 1 ppb = partie par milliard. Penser au goût de 50 ml d'alcool dans 4000 camions citernes d'eau. (= 1 ppb d'alcool). Alors, il faut évidemment faire attention à la contamination!

DOSAGE DU PLOMB DANS UN ECHANTILLON DE SANG FAIRE LA VEILLE VEILLE DU JOUR DU DU DOSAGE DOSAGE ! Préparation de l'échantillon : A FAIRE

Peser exactement dans un Erlenmeyer de 25 ml environ 2 ml de sang. Ajouter 5 ml d'acide nitrique suprapur Merck ou Instra Baker. Laisser environ 1 heure à la température ambiante, puis chauffer, sur une plaque chauffante thermostatisée, d'abord vers 80 °C, puis vers 100 - 110 °C (température de la plaque), jusqu'à ce que la solution devienne jaune claire (plusieurs heures !). Laisser refroidir, puis transvaser dans un tube en plastique gradué de 10 ml. Compléter au trait de 10 ml avec de l'eau distillée.

Dosage :


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Préparer 5 solutions standards de plomb dans le domaine de conce ntration de 5 - 50 µg/l et contenant 0.1% d’HNO 3 suprapur dans des tubes en plastiques de 10 ml. Le programme de température pour le dosage est indiqués dans le tableau suivant : Etapes

Plomb Ramp time (sec)

Hold time (sec)

Temp. (°C)

Séchage

15

30

150

Calcination Calcina tion

15

30

500

Atomisation Atomis ation

0

2

1500

Nettoyage

1

1

2500

Read

Baseline

Int flow (ml/min)

X

-5

50

N.B. Ne pas oublier d'introduire "2 t" sur le spectrophotomètre!

Valeurs normales : Plomb dans le sang : 70 – 230 µg/L

REFERENCES UTILES Tableau Synoptique de l'Analyse des Eaux de l'Arve; Services Industriels de Genève, (1989). Ordonnance sur les Polluants du Sol, (9 juin 1986) 1-4. Ordonnance sur la Protection de l'Air, (16 décembre 1985 ) 1-68.

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