ANALYTIQUE CHIMIE

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Les méthodes de mesure

Une méthode d'analyse repose soit sur la mesure d'une grandeur physico-chimique, soit sur une réaction chimique ou électrochimique.

Mesure de constantes physico-chimiques

Les points d'ébullition, de fusion ou de sublimation, l'indice de réfraction et la densité d'un corps pur permettent de le caractériser. Ces constantes sont listées dans les ouvrages de références de chimie et elles sont couramment mesurées pour contrôler la pureté d'un produit en fin de synthèse.

Les substances faisant tourner le plan de polarisation de la lumière peuvent être caractérisées par leur pouvoir rotatoire. La polarimétrie est ainsi utilisée pour les molécules à structure asymétrique (qui ne possèdent ni plan, ni centre de symétrie). Pour celles-ci, on peut mesurer la différence d'absorbance de la lumière polarisée à droite et à gauche en fonction de la longueur d'onde : on observe alors un dichroïsme circulaire.

L'analyse élémentaire

L'analyse élémentaire consiste à établir la formule brute d'un composé chimique. Elle détermine le nombre d'atomes de carbone, d'hydrogène, d'oxygène... contenus dans une molécule du composé. Toutes les déterminations sont fondées sur des réactions chimiques. Le nombre d'atomes de carbone et d'hydrogène contenus dans une molécule organique est déterminé par le dosage du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau formés lors de la combustion de l'échantillon, effectuée dans un bombe à oxygène. La méthode de Kjeldahl donne le nombre d'atomes d'azote dans un composé en le décomposant au moyen d'acide sulfurique concentré et chaud. Les ions ammonium formés sont dosés par une réaction acide-base.

Les méthodes spectroscopiques

Les méthodes spectroscopiques sont des méthodes analytiques fondées sur la mesure d'une radiation électromagnétique et de ses interactions avec l'échantillon.

Une molécule (ou un atome) est caractérisée par son niveau d'énergie fondamental (l'état dans lequel elle se trouve normalement) et par l'ensemble des états excités que cette molécule peut atteindre. Dans un état excité, la molécule possède un niveau d'énergie supérieur à celui de l'état fondamental. Les états excités ayant des niveaux d'énergie bien définis, les passages entre les différents niveaux ne peuvent s'effectuer qu'avec une absorption (passage à un niveau d'énergie supérieur) ou une libération d'énergie (passage à un niveau d'énergie inférieur), correspondant exactement à la différence d'énergie entre ces deux niveaux. Cette énergie peut, dans certains cas, s'exprimer sous la forme d'une radiation électromagnétique de longueur d'onde bien précise. L'ensemble des longueurs d'onde, qui correspondent à des transitions énergétiques dans la molécule, est une caractéristique de la molécule étudiée.

Le domaine d'énergie du spectre électromagnétique étant très large, on peut observer plusieurs types d'interactions entre un échantillon et une radiation électromagnétique. Ainsi les rayons γ (longueur d'onde de l'ordre de 10—14 m) interagissent-ils avec les noyaux des atomes, tandis que les rayons X (de l'ordre de 10—11 m) interagissent avec les électrons des couches internes des atomes. Les ondes situées dans les domaines de l'ultraviolet et du visible (de l'ordre de 10—8 à 10—7 m) provoquent des transitions d'énergie pour les électrons des couches externes des atomes. Les ondes infrarouges (de l'ordre de 10—5m) entraînent des changements de configuration des molécules (élongation et déformation), tandis que les micro-ondes (de l'ordre de 10—4 à 10—3m) provoquent un changement d'orientation de ces molécules. Dans les fours à micro-ondes, c'est l'absorption, par les molécules d'eau, de l'énergie nécessaire pour les mettre en rotation qui provoque l'échauffement de l'aliment.

Les méthodes d'absorption

Les méthodes d'absorption sont basées sur la mesure de l'intensité d'une onde électromagnétique avant et après son interaction avec l'échantillon. Le spectre d'absorption (quantité de lumière absorbée en fonction de la longueur d'onde) étant caractéristique de chaque produit, son tracé permet l'analyse qualitative de l'échantillon. Si un seul composé absorbe la radiation électromagnétique, la quantité de lumière absorbée est alors directement proportionnelle à la concentration de ce composé dans l'échantillon. Il est ainsi possible de réaliser l'analyse quantitative de ce composé.

Domaines de l'ultraviolet et du visible

Les molécules possédant des liaisons doubles ou triples, les atomes possédant des paires d'électrons libres, ainsi que beaucoup de métaux de transition absorbent dans les domaines de l'ultraviolet et du visible du spectre électromagnétique. Si cette absorption est importante dans le domaine visible, l'échantillon apparaîtra coloré.

Les chimistes analystes ont découvert de nombreuses réactions donnant naissance à des complexes colorés. Par exemple, l'ion Fe2+, incolore, forme en solution avec l'orthophénantroline, elle aussi incolore, un complexe qui apparaît coloré en rouge orangé car il absorbe la composante verte de la lumière solaire. Ainsi l'analyse quantitative du fer (II) peut-elle être réalisée en mesurant la quantité de lumière verte absorbée par la solution.

Un grand nombre de réactifs spécifiques permettent de caractériser une molécule ou un ion donné. Ces réactifs sont très utilisés pour les tests commerciaux rapides, sous forme de bandelettes de papier ou d'autres supports imprégnés de réactifs, qui changent de couleur en présence de certains éléments. Ainsi, les tests de contrôle de l'eau (dureté, présence de nitrates, présence de chlorures, pH) permettent de donner rapidement une réponse sur la qualité d'une eau. Ces réactions spécifiques n'ont pas une très grande sensibilité. Elles sont de plus en plus supplantées par des techniques instrumentales précises et facilement automatisables.

La spectrométrie d'absorption atomique est la méthode atomique la plus largement utilisée. Avant toute autre manipulation, la solution à analyser est nébulisée dans une flamme, ce qui permet de décomposer l'échantillon pour obtenir des atomes à l'état gazeux. Les transitions électroniques dans les atomes s'obtiennent pour des longueurs d'ondes bien caractéristiques des éléments (spectre de raies).

Domaine de l'infrarouge

L'infrarouge est le domaine classique des molécules organiques donnant des informations sur les groupements fonctionnels présents dans une molécule. Les modes de vibration d'un groupement chimique dépendant fortement du reste de la molécule, chaque molécule produit un spectre d'absorption qui lui est caractéristique, véritable empreinte digitale de la molécule. De ce fait, l'infrarouge est surtout utilisé en analyse qualit [...]

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  • : docteur, professeur agrégé de sciences physiques, directeur de recherche au C.N.R.S.
  • : docteur, maître de conférences

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Pour citer l’article

Alain BERTHOD, Jérôme RANDON, « ANALYTIQUE CHIMIE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 02 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/chimie-analytique/