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Organisation des enseignements Chimie
en S3 et S4
●
Modules d'enseignements de Chimie
►M3303 : Techniques Spectroscopiques (Johan ALAUZUN  S3)
►M4104 : Analyses Électrochimiques (Olivier FONTAINE  fin S3) et Méthodes
Chromatographiques (Christelle NGUEFACK  début S3)
●
Organisation des TP (bâtiment H Chimie, RDC)
►Responsables TP : Stella LACOUR ([email protected]) puis Olivier
FONTAINE
►Fonctionnement en groupes TP, séance une semaine sur 2 pour chaque groupe TP  voir
l'EDT
►Série 1 'Spectro/Chromato' : 4 TP tournants (4h) puis 1 partiel pratique de 2h /étudiant
 démarrage début S3 (amener blouse/lunettes/propipette)
►Série 2 'Électrochimie' : 4 TP tournants (4h) puis 1 partiel pratique de 2h /étudiant 
milieu S3 et début S4.
INTRODUCTION AUX METHODES CHROMATOGRAPHIQUES
Chromatographie = séparation, identification et dosage des constituants
chimiques d'un mélange complexe
→ Analyse qualitative et quantitative
RMN
7%
Autres méthodes
9%
HPLC 30%
UV-Visible
7%
Infra-rouge
11%
Spectrométrie de
masse
14%
CPG 17%
Autres méthodes
chromatographiques
5%
I. Aspects Généraux
1- Principe de la Chromatographie
Phase Mobile = Eluant
A+B
B
A
B
Phase Stationnaire
A
B
Détecteur
A
B
Chromatogramme
t0
t1
t2
t3
Un chromatogramme est caractérisé par :
La position des pics
Facteurs de Rétention
La largeur des pics
Facteurs de Résolution
t4
2- Facteurs de Rétention
S phase mobile
KNernst =
Cs
Cm
S phase stationnaire
=
Conc. du soluté dans la phase stationnaire
Conc. du soluté dans la phase mobile
= Coefficient de distribution de Nernst
tM = temps mort ou temps nécessaire pour
qu’un soluté non retenu traverse la colonne
tR = temps de rétention idéal
t’R = temps de rétention réel = tR - tM
Facteur de Rétention k
t’R
tR - tM
k=
=
tM
tM
Facteur de Séparation 
 =
kA
kB
=
t’RA
t’RB
3- Facteurs de Résolution
a) Efficacité d’une colonne : Modèle des plateaux
L : longueur de la colonne,
N : nombre de plateaux théoriques
H : hauteur équivalente à un plateau théorique (HEPT)
L
H=
N
N = 16
( )
tR


= 5.54
( )
tR

 : largeur du pic à sa base,
 : largeur du pic à mi-hauteur.
tR ,  et  en unité de temps.

Rappel sur les courbes de Gauss
68.3 % de l’aire du pic est comprise entre +s et -s
95.5 % de l’aire du pic entre +2s et -2s
En chromatographie
 est la largeur de la base du pic et  la largeur du pic à mi-hauteur
 = 2,35 s
 = 4 s = 1,7 
Mesure de l’aire des pics en chromatographie :
-
Par « triangulation » manuelle
Par intégration automatique
A = H
A = 1/2 H’  
b) Résolution d’une colonne
Facteur de résolution = R
tR2 - tR1
R=2
1 + 2
R = 1/4
N
=2
t’R2 - t’R1
-1
k2

1+k
1 + 2
2
k 2 : facteur de rétention du soluté le plus lent.
c) Équation de Van Deemter
Aspect cinétique prenant en compte la vitesse de la phase mobile
B
H=A+
B
+Cu
u opt. =
u
u : vitesse linéaire moyenne d’écoulement,
A, B et C : coefficients expérimentaux reliés à la colonne.
C
d) Optimisation d’une chromatographie
résolution
O
capacité
vitesse
O = meilleur compromis entre K, N, k, R et 
Analyse qualitative : identification des espèces grâce à leur temps de rétention
Analyse quantitative : dosage possible grâce au calcul de la surface des pics
II. Chromatographie en Phase Gazeuse (CPG)
Gaz Vecteur
Injecteur
Colonne
Détecteur
Four
Intégrateur
1- Gaz Vecteur
Phase Mobile
Azote N2 ou Hélium He sec
Débit : 1 à 25 mL / min
2- Injecteur
Septum
Seringue
Vaporisation instantanée du mélange
Gaz Vecteur
T injecteur > T ébullition du mélange
Insert
Colonne
3- Colonne
Placée dans un four ventilé
T colonne > T ébullition du mélange
Trois types de colonnes :
a) Colonnes remplies en acier (diamètre 3.18 ou 6.35 mm - longueur 1 à 3 m)
b) Colonnes capillaires (diamètre 0.10 à 0.35 mm - longueur 15 à 100 m)
c, d) Colonnes ‘ wide-bore’ (diamètre 0.53 mm - longueur 5 à 50 m)
4- Phase Stationnaire
Faible tension de vapeur, grande stabilité thermique (Tebf > 100 Teb mélange), inertie chimique
a) Phase Liquide
-1- Polysiloxanes (gommes de silicone)
Stables jusqu’à 300-325 °C
La polarité varie en fonction de la nature des groupements R et R’ et de leur %
R
R
R'
O Si O Si
O Si
O Si
O
O
R
R
m
m
R'
n
-2- Polyéthylèneglycols
O
CH2 CH2
n
b) Phase Solide
Matériaux adsorbants: Silice SiO2, Alumine AlO2, Verres, Polymères poreux
5- Détecteur
Grande sensibilité, grande stabilité thermique, réponse linéaire avec un temps de réponse rapide
a) Détecteur à Conductibilité Thermique (TCD) ou catharomètre
La variation de la résistance du filament est proportionnelle à la concentration des
substances analysées
b) Détecteur à Ionisation de Flamme (FID)
Très utilisé pour détecter des composés organiques
La tension mesurée est proportionnelle à la concentration des produits
Electrode
Collectrice
Intégrateur
Air
Brûleur
H2
Colonne
III. Chromatographie Liquide Haute Performance (HPLC)
Eluant
Pompe
Injecteur
Colonne
Détecteur
Intégrateur
1- Solvant ou phase mobile
Le solvant est introduit dans la colonne par l’intermédiaire d’une pompe
Débit : 0.1 à 10 mL / min
Pression max. : 350 bars
Solvants utilisés : Eau H2O, Méthanol CH3OH, Acétonitrile CH3CN…
Un seul solvant = mode isocratique
Plusieurs solvants = gradient d’élution
2- Injecteur
L’injection doit être rapide afin de ne pas perturber la dynamique de la colonne
Pompe
1
Pompe
Colonne
2
6
4
5
" Poubelle "
S eringue
Boucle
Load
Colonne
2
3
3
6
5
1
Inject
4
3- Colonne
Tube droit en acier inox
Longueur : 3 à 25 cm / Diamètre interne : 0.5 à 5 mm
4- Phase stationnaire
Gel de silice transformé SiO2(H2O)n avec n proche de 0
OEt
OEt
Si
EtO
OEt
H2O
SiO2
urée, formol, pH = 2
matrice polymère
Chauffage
O2
Groupements OH : Caractère acide (pKa = 10)
Surface Spécifique : de 5 à 350 m2 g-1
Les silices greffées
Gels de silices transformées
 Phases monomériques
Epaisseur de 10 à 15 mm
OH
O
SiMe2R
ClSiMe2R
OH
OH
OH
O
gel de silice
SiMe2R
R = C8H17 ('C8'), C18H37 ('C18')
 Phases polymériques
Epaisseur 25 mm
Me
OH
OH
O Si
Cl2SiMeR
H2O
OH
gel de silice
O
R
Me
Si
...
R
Me
O Si O Me
R Si ...
R
OH
Les interactions entre phases stationnaires et phases mobiles
5- Détecteur
Détecteur UV-visible (loi de Lambert-Beer)
 Détection monochromatique
Source au Deutérium ou à vapeur de Hg
Monochromateur pour isoler une bande passante étroite (10 nm) ou une raie (254 nm du Hg)
 Détection polychromatique
6- Chromatographie de Partage
Phase mobile liquide
Phase stationnaire = solvant immobilisé sur grain de silice par adsorption physique ou par des
liaisons chimiques, et se comportant comme un liquide
Temps Rétention = f(Coefficient de Distribution de Nernst)
Phase mobile
: soluté
Si
Phase stationnaire
: solvant immobilisé sur silice
Si-(CH2)17CH3
IV. Autres méthodes chromatographiques
1- La chromatographie ionique (CI)
Phase mobile aqueuse où les solutés sont sous forme ionique
Phase stationnaire = résine échangeuse d’ions
Colonne à rétention d’une espèce cationique M+
[Résine-SO3]-, M+ + Eluant-H+
[Résine-SO3]-, H+ + Eluant-M+
Colonne à rétention d’une espèce anionique A-
[Résine-NR3]+, A- + Eluant-OH-
[Résine-NR3]+, OH- + Eluant-A-
AN E
E
-
N A
N E
N E
-
A
-
N E
N E
N E
N A
N E
N E
N E
N E
N = groupement ammonium
E = contre-anion
A = anion à analyser
= sens de l'élution
E
Les résines

Les copolymères de synthèse
Particules sphériques de 10-20 mm
n
SO3- H+
n
+
-
NR3 OH
 Les silices greffées
Obtenues par fixation de liaisons covalentes de chaînes aromatiques à groupements sulfonés
ou ammonium
Les éluants
Solutions aqueuses chargées d’ions salins ou organiques avec si nécessaire un peu de méthanol
ou d’acétone pour faciliter la dissolution des solutés
2- La chromatographie planaire ou en couche mince (CCM)
Cuve à CCM
Plaque de CCM
Front de solvant
Eluant
Fine couche de f stationnaire
(100 - 200 mm) : silice modifiée

d0
dB
dA
Plaque de verre, de plastique ou
d'aluminium
Dépôt d'un mélange de
solutés A et B
Le rapport frontal Rf est une caractéristique donnée pour chaque couple (soluté, éluant)
Les formules générales de chromatographie peuvent s’appliquer à la CCM
distance parcourue par le soluté
Rf =
N = 16
di
=
distance parcourue par le solvant
2
( )

di
H=
di
N
d0
dB - dA
R = 2
B + A
3- La chromatographie d’exclusion stérique (CES)
Séparation basée sur la taille des molécules
Les plus grosses molécules sont éluées en premier, les plus petites étant retenues au sein
de la phase stationnaire
Méthode rapide pour déterminer la masse molaire des composés étudiés
4- La chromatographie en fluide supercritique (SFC)
Un fluide supercritique a l’aspect d’un liquide et les caractéristiques d’un gaz
Il est caractérisé par sa température critique Tc et sa pression critique Pc
Les fluides supercritiques permettent de dissoudre les grosses molécules
Exemple : Dioxyde de carbone CO2
Tc = 31 °C / Pc = 7400 kPa
V. Conclusion
Masse molaire des analytes étudiés
CPG
M < 500
ionique
CI, HPLC
hydrosoluble
non ionique
HPLC
polaire
HPLC
non polaire
HPLC
M < 2000
organosoluble
M > 500
CES
hydrosoluble
HPLC
CI
M > 2000
organosoluble
CES