Chromatographie gazeuse - D[PleaseinsertPrerenderUnicode{Ã

Chimie Analytique II
–
Chromatographie gazeuse
Détermination des conditions optimales de séparation
et dosage et l’éthanol et du méthanol
Daniel Abegg – Nicolas Calo – Emvuli Mazamay – Pedro Surriabre
Université de Genève, Science II, Laboratoire 144 – Groupe 4
29 décembre 2008
Résumé
Dans un premier temps une courbe Van Deemter a été obtenue pour déterminer le débit
optimal pour assurer une bonne séparation par chromatographie gazeuse. Par la suite
nous déterminons les pourcentages volumiques en éthanol dans une bière sans alcool et en
méthanol pour un vieux marc. Les valeurs obtenues suggèrent que les deux échantillons
sont en accord avec la loi fédérale qui explicite les concentrations limites de ces deux
composés pour la consommation.
Introduction
La chromatographie gazeuse (GC) est une méthode de séparation basée sur les différentes
affinités des constituants d’un échantillon pour la phase stationnaire qui est un film liquide
(colonne capillaire). D’abord l’échantillon est volatilisé et ensuite introduit dans la colonne
qui est placée dans un four à une température adéquate pour garder les composants de
l’échantillon en phase gazeuse pendant toute l’analyse. Le chromatogramme obtenu renseigne sur les temps de rétention qui caractérise chaque composant de l’échantillon. Afin
de déterminer le débit optimal pour la séparation il faut tracer le graphique de la hauteur
des plateaux théoriques de la colonne en fonction de la vitesse linéaire du gaz porteur.
Le graphique obtenu est la courbe de Van Deemter. Le débit optimal correspond à la
hauteur des plateaux théoriques la plus petite.
1
Le but de ce TP est de tracer la courbe de Van Deemter pour la colonne et ainsi déterminer
les conditions optimales pour l’analyse de l’éthanol dans une bière sans alcool et du
méthanol dans un vieux marc. Nous allons déterminer les pourcentages volumiques de
ces deux alcools et les comparer avec les valeurs stipulées par la loi fédérale.
Méthodologie et résultats
Détermination de la courbe de Van Deemter
Une solution d’éthanol 4 g/l sera utilisé pour obtenir le meilleur débit pour, par la suite
doser l’éthanol dans une bière sans alcool. Cette solution contient 0.5 ml d’éthanol et
0.5 ml de sulfate d’ammonium saturé dans de l’acide sulfurique 1 M. Puis cette solution
est vortexée et 2 ml de phase gazeuse sont prélevés avec une seringue et injecté.
pression [kPa]
200
150
100
50
25
15
débit [ml/min] flux [m/s] tr [s] area/height [s]
N
10.30
7688.10
64.20
1.8676
18907
6.60
4926.35
81.90
1.7894
33518
3.70
2761.74 115.80
2.1204
47720
1.60
1194.27 217.08
3.0395
81612
0.70
522.49
418.20
6.7955
60596
0.41
306.03
679.74
12.1398
50163
H [m]
1.59 10−3
8.95 10−4
6.29 10−4
3.68 10−4
4.95 10−4
5.98 10−4
Tab. 1 – Table des valeurs pour la détermination du débit approprié pour le dosage de
l’éthanol. La longueur de la colonne est de 30 m et son diamètre de 0.32 mm.
tr ·Hpic
Apic
2
Le nombre de plateaux est égale à : N = 16
et la hauteur des plateaux est la
division de la longueur de la colonne (30 m) par le nombre de plateaux.
Courbe de Van Deemter
0.0016
0.0014
H [m]
0.0012
0.001
A=0
B = 0.174 ± 0.002
0.0008
C = 1.96 10−7 ± 7.4 10−9
0.0006
0.0004
0.0002
0
1000
2000
3000
4000
flux [m/s]
5000
6000
7000
8000
Fig. 1 – Courbe de Van Deemter (H = A + Bu + C u). Le meilleur débit (ou pression) est
le minima de la courbe : 1194.27 m/s ou 1.6 ml/min ou 50 kPa
2
Dosage de l’éthanol dans une bière sans alcool
Les dosages s’effectuent avec un débit de 1.6 ml/min (50 kPa). Des solutions contenant
0.5 ml d’éthanol à différentes concentrations (table 2) avec 0.1 ml de dioxanne 1% et 0.5 ml
de solution saturée en sel sont préparées et agitée au vortex, puis 2 ml de phase gazeuse
sont prélevés et injecté.
VEtOH [µl]
6
13
19
25
32
38
51
CEtOH [g/l]
0.473
1.026
1.499
1.973
2.525
2.998
4.024
AireEtOH [µV s]
468.28
1441.17
2611.43
3689.26
4968.02
5930.7
6127.75
AireDioxanne [µV s]
2664.06
2685.39
3051.94
3209.02
2999.91
3207.74
2934.98
AireEtOH/Dioxanne
0.176
0.537
0.856
1.150
1.656
1.849
2.088
Tab. 2 – Valeurs pour la droite de calibration de l’éthanol
Droite de calibration de EtOH
2.5
CEtOH
CDioxanne
2
1.5
f (x) = 0.573 x − 6.06 10−6
R2 = 0.96
1
0.5
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
CEtOH [g/l]
3
3.5
4
4.5
Fig. 2 – Droite de calibration de l’éthanol pour la mesure de cette dernière dans la bière
sans alcool
La solution pour le dosage de la bière sans alcool est préparée avec les mêmes volumes
(0.5 ml de bière, 0.1 ml de dioxanne et 0.5 ml de solution de sel saturée).
VEtOH [µl]
50
AireEtOH [µV s]
5424.52
AireDio [µV s]
2719.73
AireEtOH/Dio
1.995
CEtOH [g/l]
3.483
%EtOH/bière
0.441
Tab. 3 – Quantité d’éthanol dans la bière sans alcool ainsi que le pourcentage d’éthanol
dans cette dernière (densité EtOH=0.789 g/ml et dilution dans 10 ml).
3
Dosage du méthanol dans un alcool ligneux
Le débit pour le dosage du méthanol est différent que précédemment. Des solutions de
0.5 ml de méthanol à concentration variable (table 4) avec 0.1 ml de dioxanne 1% et 0.5 ml
de solution de sel saturée sont préparées puis (( vortexée )) avant la mesure.
VMeOH [µl]
6.00 10−3
1.90 10−2
2.50 10−2
3.20 10−2
3.80 10−2
5.10 10−2
CMeOH [g/l]
0.475
1.504
1.980
2.534
3.009
4.038
AireMeOH [µV s]
904.68
2748.51
2585.55
5076.65
5619.60
5215.10
AireDioxanne [µV s]
4123.16
3072.44
1535.58
2669.04
2638.53
1558.62
AireMeOH/Dioxanne
0.219
0.895
1.684
1.902
2.130
3.346
Tab. 4 – Valeurs pour la droite de calibration du méthanol
La solution pour le dosage du vieux marc est préparée avec les mêmes volumes (0.5 ml
de vieux marc, 0.1 ml de dioxanne et 0.5 ml de solution de sel saturée).
Droite de calibration du MeOH
3.5
3
CM eOH
CDioxanne
2.5
2
1.5
f (x)
= 0.859x − 0.243
R2 = 0.98
1
0.5
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
CM eOH [g/l]
3
3.5
4
4.5
Fig. 3 – Droite de calibration du méthanol pour la mesure de ce dernier dans le vieux
Marc
VMeOH [µl]
50
AireMeOH [µV s]
1308.40
AireDio [µV s]
1647.99
AireMeOH/Dio
0.794
CMeOH [g/l]
1.207
%MeOH/marc
0.152
Tab. 5 – Quantité de méthanol dans le vieux Marc ainsi que le pourcentage de méthanol
dans ce dernier (densité MeOH=0.792 g/ml et dilution dans 10 ml).
4
Discussion
La hauteur d’un plateau théorique est affectée par la vitesse du gaz porteur. L’équation
de Van Deemter rend compte de ce phénomène :
H=A+
B
+ Cu
u
Les paramètres A, B, C sont des constantes qui caractérisent les propriétés physiques,
cinétiques et thermodynamiques de la colonne.
A est le coefficient de diffusion turbulente. Elle dépend de la diffusion tourbillonnaire
dans les canaux formés par les grains de support (colonnes remplies). Donc elle n’existe
pas dans une colonne capillaire, ce qui est le cas dans notre expérience.
B est le coefficient de diffusion longitudinal. Ce type de diffusion résulte de la tendance
du soluté à se déplacer du centre de sa bande (concentration élevée) vers les régions de
plus diluées en amont ou en aval. Elle est responsable de l’élargissement des pics dans la
chromatographie en phase gazeuse parce que la vitesse de diffusion des molécules est très
élevée dans le gaz.
C est le coefficient de résistance au transfert de masse entre la phase stationnaire (liquide
en GC) et la phase mobile (gaz en GC). Ce coefficient est directement proportionnel au
carré de l’épaisseur moyenne de la couche déposée sur les particules du support solide et
inversement proportionnel au coefficient de diffusion du soluté dans le film.
Donc, la courbe de Van Deemter a trois contributions (figure 4)
Fig. 4 – Courbe théorique de Van Deemter[5]
Elle permet de déterminer le débit optimal pour une bonne séparation. Dans notre cas
ce débit est de 1.6 mL/min (50 kPa).
En ce qui concerne l’analyse de la bière sans alcool, nous avons trouvé une teneur en
éthanol de 0.441% en volume. L’ordonnance fédérale sur les denrées alimentaires[2] in5
dique que la concentration d’alcool autorisée dans la bière (( sans alcool )) est de maximum
0.5%. Donc, le résultat obtenu montre que l’échantillon est en accord avec la loi.
Quant à l’analyse du marc, nous avons trouvé une teneur en méthanol de 0.152%. Selon
la loi fédérale elle doit se trouver entre 0.18 et 0.28%[2] [1] , donc le marc analysé est légal.
L’identification du pic correspondant au méthanol dans le marc était difficile car on était
en présence d’une forêt de pics. Nous avons pris le pic qui donnait le meilleur résultat
pour la concentration de méthanol. Cependant ce pic avait un temps de rétention moindre. Ceci peut être expliqué par les interactions entre le méthanol et l’éthanol, présent
aussi dans le marc, qui induisent des changements dans la polarité du méthanol et font
varier son interaction avec la phase stationnaire.
Pour vérifier que ce pic correspondait effectivement au méthanol, on aurait dû ajouter
du méthanol dans l’échantillon et obtenir un nouveau chromatogramme qui afficherait un
plus grand pic pour le méthanol et ainsi le repérer dans le chromatogramme précédent.
Malheureusement nous n’avons pas eu le temps de faire cette analyse supplémentaire.
Donc le résultat est à prendre avec précaution.
Il est impossible de comparer deux pics de chromatogramme différent, sans dioxanne,
car la proportion du soluté en phase gazeuse ne sera pas la même entre les expériences.
Il est nécessaire d’ajouté un étalon interne (dioxanne) dont la concentration en phase
gazeuse sera proportionnelle à celle soluté en phase gazeuse. Donc en faisant le rapport
des aires des pics nous pouvons quantifier la concentration de soluté entre les différentes
mesures.
Si deux composés sont mal séparés par chromatographie gazeuse, on peut agir sur le
débit et sur la température du four pour obtenir une meilleure résolution. En effet, ces
deux paramètres modifient les interactions des molécules avec la phase stationnaire et
ont une influence donc sur les temps de rétention.
Conclusion
La chromatographie en phase gazeuse est un outil très puissant pour l’identification des
composés présents dans un mélange, mais en ce qui concerne la quantification il y a des
méthodes plus performantes. Mais nos résultats sont cohérents et ils montrent que les
pourcentages volumiques en éthanol pour la bière sans alcool et en méthanol pour le
marc sont en accord avec la loi fédérale.
Références
[1] Communauté Européenne. Indications géographiques (spiritueux), 1989. Réglement
(CEE) N˚ 1576/89.
6
[2] Conseil fédéral suisse. Ordonnance sur les denrées alimentaires, 1995.
[3] M. Borkovec. Lab journal of analytical chemistry II : High-Pressure Liquid Chromatography, 2008.
[4] D.A. Skoog, D.M. West, and F.J. Holler. Chimie Analytique. de Boeck, 7e edition,
2006.
[5] Wikipedia. Van Deemter equation. http://en.wikipedia.org/wiki/Van_Deemter_
equation 13.11.2008.
7