TP n°2 - Nous allons étudier la méthode de la voltammétrie par redissolution anodique. PDF

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Summary

Nous allons étudier la méthode de la voltammétrie par redissolution anodique. Pour cela, nous avons analysé plusieurs types de solution aqueuse : une eau distillée dopée avec des ions métalliques, une eau douce, une eau salée et enfin une eau contaminée au plomb....

Description

Analyse de métaux par voltammétrie Léa GONÇALVES, Guillaume DUTILLEUL

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Licence 3 Physique/Chimie Université de Perpignan Via Domitia, 52 av. Paul Alduy, 66000 Perpignan

Nous allons étudier la méthode de la voltammétrie par redissolution anodique. Pour cela, nous avons analysé plusieurs types de solution aqueuse : une eau distillée dopée avec des ions métalliques, une eau douce, une eau salée et enfin une eau contaminée au plomb.

I.

Technique de la voltammétrie par redissolution anodique

Dans cette première partie, nous allons voir le principe de la voltammétrie par redissolution anodique. Cette technique d’analyse est extrêmement sensible pour l’analyse de traces et d’ultra-traces de métaux dans des solutions aqueuses. Deux étapes principales ont lieu : -

Une étape de pré-concentration des composés à analyser (réduction des ions métalliques sur la goutte de mercure). Une étape de redissolution des composés (oxydation des ions métalliques).

Nous utilisons la méthode de « voltamétrie à impulsion différentielle ». L’appareil est constitué d’une cellule basée sur un système à trois électrodes immergées dans la solution à analyser.

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Une électrode de travail dont la surface est utilisée pour la réaction de transfert d’électrons. Il s’agit d’une goutte de mercure pendante (HMDE). Une électrode de référence au chlorure d’argent saturé Ag/AgCl/KCl saturé qui possédé un potentiel spécifique constant qui permet d’imposer un potentiel précis à l’électrode de travail. Une électrode auxiliaire de platine qui assure le passage du courant et sa mesure.

Pour analyser les solutions aqueuses, il est nécessaire d’y ajouter préalablement des composés à la solution à analyser. Nous avons d’abord ajouté un électrolyte, le KCl, pour permettre aux ions métalliques de la solution de mieux se mouvoir afin qu’ils puissent bien se répartir sur la surface de la goutte de mercure. Nous avons ensuite ajouté du tampon acétate à notre solution aqueuse afin de déplacer le pic d’oxydation du mercure vers la droite du voltammogramme pour ainsi éviter qu’il ne masque le pic d’oxydation du cuivre. Pour terminer, toujours avant de réaliser une analyse, une purge de 5 minutes est effectuée par la machine. Ce procédé est un bullage de diazote qui consiste à éliminer le dioxygène dissous dans l’eau. En effet, ce dioxygène dissous est présent en concentration relativement grande et est électroactif1. Le dioxygène peut se réduire sur l’électrode de mercure en peroxyde d’hydrogène qui se réduit sur l’électrode de mercure en eau. Ces deux réductions successives peuvent masquer les signaux des composés que l’on cherche à analyser.

1 Une espèce est dite électroactive lorsque cette dernière peut s’oxyder ou se réduire par voie électrochimique.

1

II.

Analyse d’une eau dopée

Nous allons réaliser et exploiter un voltammogramme (joint en annexe) d’une solution d’eau distillée dopée avec Zn2+ (50 g/L), Cd2+ (100 g/L) Pb2+ (100 g/L) et Cu2+ (75 g/L). Pour pouvoir identifier les pics sur le voltammogramme, l’appareil possède en mémoire les différents potentiels caractéristiques 2 de Zn2+, Cd2+, Pb2+ et Cu2+

Cd

2 +¿

( V )=−0,58 V ¿ Ep

Pb2+¿ ( V )=−0,38 V ¿ Ep Cu

2+¿

2 +¿

Zn

( V )=−0,06 V ¿ Ep ( V )=−1 V ¿ Ep

Pour préparer l’eau distillée dopée, nous nous munissons d’une fiole jaugée de 10mL, d’une micropipette de 100-1000 L et de quatre solutions aqueuses contenant respectivement des ions Zn 2+, Cd2+, Pb2+ et Cu2+, à une concentration de 0,1 mg/L. Nous déterminons les volumes à prélever pour effectuer les dilutions.

Soit l’équation de dilution :

C0 V 0=C 

(1)

Pour Zn2+ :

Zn2 +¿=50 μg / L C1¿ 2 +¿ Zn =1 mg / L C 0¿ 2 +¿ Zn =10 mL V 1¿ Nous obtenons :

Zn2 +¿=0,5 mL=500 μL V 0¿ 

Cu

Pour Cu2+ :

2+¿



Pb

=0,75 mL=750 μL V 0¿ Pour Pb2+ :

2+¿



=1 mL V 0¿ Pour Cd2+ :

2 Les potentiels caractéristiques des espèces citées sont les potentiels pour lesquelles ces espèces vont s’oxyder sur la goutte de mercure et donc se libérer de celle-ci.

2

Cd2 +¿=1 mL ¿ V0



Le cuivre qui peut provenir des traitements effectués dans les vignes et sur les arbres fruitiers pour lutter contre les parasites.



Le cadmium qui peut provenir du milieu agricole. En effet, il est utilisé pour la fabrication de pesticides et d’engrais. Il est également utilisé comme « sous-produit lié à l’augmentation l’activité minière à l’échelle mondiale pour l’extraction du zinc, du plomb et du cuivre ». Le zinc est rejeté par les activités industrielles, elles que l’exploitation minière, la combustion du charbon et des déchets de l’industrie de l’acier.

Avant d’ajouter la solution dans la cuve du voltamètre, nous effectuons les réglages suivants : 

-

Initial purge : 300 secondes Domaine d’analyse : [-1,15 ; 0,1] V Potential deposition : -1,15 V Temps du « potential deposition » : 90 secondes Equilibration time : 10 secondes

Ensuite, nous transvasons la solution d’eau dopée préparée précédemment dans la cuve de l’appareil. Nous lançons alors l’acquisition et nous obtenons le voltammogramme de notre solution.

III. Analyse d’échantillons environnementaux d’eau L’analyse de l’eau est importante car celle-ci peut être contaminée par différents éléments : 

Le plomb provenant de vielles canalisations du réseau de distribution constituées de plomb. La pollution des eaux au plomb peut aussi être due au recyclage des batteries au plomb usagées mais aussi à cause de son extraction dans des exploitations minières.

IV. Quantification du Pb2+ dans un échantillon (analyse quantitative) L’objectif est de déterminer la concentration en ions Pb2+ dans un échantillon d’eau. Pour cela, nous avons utilisé la méthode des ajouts dosés. Nous avons effectué les dilutions à l’aide d’une fiole jaugée de 10mL une solution contenant des ions Pb2+ à une concentration de 20μg/L. Nous avons relevé les intensités suivantes, nous n’avons conservé que quelques points afin d’obtenir une droite exploitable. Sur un voltammogramme, le domaine d’analyse du Pb2+ se trouve entre -0,6 V et -0,3 V.

0

0

Intensité moyenne du pic du Pb (nA) 179,65

20,75

11

240,15

50,90

16

432,10

75,47

13

606,40

Concentration ajoutée ( g/L)

Volume à ajouter ( L)

3

100,00

13

633,65

150,94

27

530,70

|x|=C échantillon =81 μ g/ L

Tableau 1 : Intensité moyenne des pics d'oxydation du Pb2+ sur les voltammogramme en fonction des ajouts en Pb 2+

Nous en concluons donc que la solution a été dopée avec 81 g/L d’ions Pb2+.

Bibliographie Courbe méthode des ajouts dosés Intensité moyenne du pic (nA)

600



PHILLIPE BELHACHE. Lot, Garonne, Gironde : les eaux toujours polluées par le cadmium [en ligne]. Sud-Ouest, 2011, 2011 [consulté le 14/03/2018]. Disponible sur : http://www.sudouest.fr/2011/10/05/lot-garonnegironde-ou-en-est-la-pollution-des-eaux-au-cadmium-5182865118.php



Polluants des cours d’eau - Le cuivre [en ligne]. République et Canton de Genève [consulté le 14/03/2018]. http://ge.ch/eau/media/eau/files/fichiers/documents/Publications/d t_le_cuivre.pdf



CHATEL ROBIN. Les causes de la pollution de l’eau [en ligne]. Cité scolaire François-Jean Armorin [consulté le 14/03/2018]. http://www.acDisponible sur : grenoble.fr/armorin.crest/beespip3/spip.php?article2022



OLIVIER BOT. Les six polluants les plus dangereux [en ligne]. Tribune de Genève, 2015 [consulté le 14/03/2018]. Disponible sur : https://www.reseau-canope.fr/savoirscdi/centre-deressources/fonds-documentaire-acquisition-traitement/le-

500 400 300 200

f(x) = − 6.87 x + 210.73 R² = 0

100 0

0

1

2

3

4

5

6

Concentration ajoutée (μg/L)

Graphique 1 : Intensité moyenne des pics d'oxydation du Pb2+ sur les voltammogramme en fonction des ajouts en Pb 2+

L’intersection entre la droite obtenue et l’axe des abscisses nous donne la concentration en Pb2+ de notre échantillon d’eau. Pour

y=0 :

2,3025 x +186,36 =0 4

traitement-documentaire/citer-ses-sources-et-presenter-unebibliographie-lycee.html

5...