TP n°3 Spectro - L’objectif de ce travail pratique est de doser la caféine présente dans les PDF

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Summary

L’objectif de ce travail pratique est de doser la caféine présente dans les préparations de thé en poudre à l’aide d’un spectromètre à transformée de Fourier relié à un ordinateur équipé du logiciel OMNIC. Pour commencer, nous allons analyser la caféine sous forme solide dans le KBr. Le KBr est uti...

Description

Méthodes d’Analyse Spec troscopique

Travaux pratiques

Spectroscopie vibrationnelle

GONCALVES Léa DUTILLEUL Guillaume SMADJA Paul

L3 PC 2017/2018

Table des matières INTRODUCTION.................................................................................................................................3 I.

MISES EN ROUTE DE L’APPAREIL ET MESURE DU SPECTRE DE FOND...........................................4

II.

MESURE DU SPECTRE IR DE NACL ET DE KBR.............................................................................5

III.

ENREGISTREMENT DES SPECTRES DES COMPOSÉS PURS........................................................6

IV. DOSAGE DE LA CAFÉINE PRÉSENTE DANS LE THÉ...................................................................9 1. ZONE D’ÉTUDE....................................................................................................................................9 2. PRÉPARATION DE LA COURBE D’ÉTALONNAGE..........................................................................................10 3. MESURE ET EXPLOITATION...................................................................................................................11 4. EXTRACTION.....................................................................................................................................12 5. DOSAGE..........................................................................................................................................13 CONCLUSION...................................................................................................................................14 CRÉDITS PHOTOS.............................................................................................................................15

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Introduction L’objectif de ce travail pratique est de doser la caféine présente dans les préparations de thé en poudre à l’aide d’un spectromètre à transformée de Fourier relié à un ordinateur équipé du logiciel OMNIC. Pour commencer, nous allons analyser la caféine sous forme solide dans le KBr. Le KBr est utilisé car il est adapté au domaine de longueur d’étude étudié, il est transparent de 4000 à 370 cm -1. Ensuite, nous allons réaliser une courbe d’étalonnage à partir de spectres en transmittance de solutions à différentes concentrations en caféine.

Caractéristiques Formule brute

C8H10N4O2

Masse molaire

194 g/mol Tableau 1 : Caractéristiques de la caféine

Figure 1 : Caféine

Figure 2 : Toxique, irritant, sensibilisant, narcotique

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Caractéristiques Formule brute

KBr

Masse molaire

119 g/mol Tableau 2 : Caractéristiques du KBr

Figure 3 : Bromure de potassium

Figure 4 : Irritant

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Caractéristiques

Figure 5 : Chlorure de sodium

Formule brute

NaCl

Masse molaire

58 g/mol

Tableau 3 : Caractéristiques du NaCl

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I.

Mises en route de l’appareil et mesure du spectre de fond Dans un premier temps, nous allons définir certains paramètres sur le logiciel OMNIC.  Sélectionner « Experience » pour régler les caractéristiques des spectres : N° of scans

16 accumulations −1

Resolution

4 cm

Final Format

% Transmittance

Correction

None Tableau 4 : Réglages généraux

L’appareil effectue ici 16 fois l’enregistrement du spectre et le logiciel fait ensuite la moyenne des spectres enregistrés. La résolution définie la précision du signal enregistré. L’appareil effectue une mesure tout les −1 4 cm . Une fois ces réglages effectués, nous allons réaliser la mesure du spectre de fond de l’appareil. Ce spectre de fond va permettre de corriger les spectres suivants. Pour cela, le compartiment échantillon contient uniquement de l’air.  Effectuer les réglages suivant : Window material

None

Spectral Range

4000-400

Tableau 5 : Réglages pour l’ enregistrement du spectre de l’ air

 Cliquer sur l’icône « Col Bkg » pour effectuer la mesure du spectre de fond. Nous obtenons le spectre de fond suivant :

4

Figure 6 : Spectre de fond (ou background)

Sur ce spectre, l’axe des ordonnées est sans unité. La grandeur représentée par l’axe des ordonnées est une intensité. Ce spectre représente donc I 0 , l’intensité des faisceaux lumineux produits par le spectromètre IR. Certaines molécules de l’air, le diazote N2 et le dioxygène O2, n’absorbent pas dans l’IR car elles s’élongent symétriquement et seul les modes asymétriques sont actifs dans l’IR. Sur le spectre on observe des perturbations qui sont dues à deux gaz présents dans l’air, la vapeur d’eau H2O et le dioxyde de carbone CO2 car ces deux molécules absorbent dans l’IR. La molécule H2O dispose de trois modes de vibrations actives dans l’IR : -

Vibration d’élongation symétrique (les longueurs des liaisons OH varient en phase) Vibration d’élongation antisymétrique (les longueurs des liaisons OH varient en opposition de phase) Vibration de déformation (variation de l’angle HOH)

La molécule de CO2 dispose de quatre modes de vibrations actives dans l’IR : -

Vibration d’élongation symétrique Vibration d’élongation asymétrique Vibration de déformation d’angle dans deux directions (même bande d’absorption pour les deux directions).

La molécule de CO2 est un cas particulier car même si elle est linéaire, elle possède deux mode vibration de déformation.  Cliquer sur l’icône « Col Smp » pour effectuer la mesure du spectre en transmission de l’air sans échantillon afin de vérifier la correction.

II.

Mesure du spectre IR de NaCl et de KBr Nous allons fabriquer une pastille transparente de KBr afin qu’il puisse être analysé.  Réduire quelques grammes de KBr en poudre très fine à l’aide d’un mortier.  Introduire une pointe de spatule de KBr dans un moule de sorte à couvrir le fond. 5

 Placer avec précaution le support dans la presse.  Appliquer une force de 15-20 « foot-pounds » pendant environ une minute. Maintenant, nous allons mesurer le spectre IR du KBr.  Insérer le support à l’intérieur du spectromètre à transformée de Fourrier et effectuer la mesure avec les réglages suivant : Window material

KBr

Spectral Range

4000-400

Tableau 6 : Réglage pour la mesure du spectre de KBr

On obtient donc le spectre IR du KBr. Enfin, nous allons mesurer le spectre IR de NaCl.  Insérer les deux lamelles de NaCl à l’intérieur du spectromètre et effectuer la mesure avec les réglages suivant :

Window material

KBr

Spectral Range

4000-400

Tableau 7 : Réglage pour la mesure du spectre de NaCl

 On superpose à présent les spectres IR de l’air, du NaCl et du KBr et on obtient le graphique suivant :

Figure 7 : Superposition du spectre IR du KBr (en rouge), de l’air (en violet) et du NaCl (en bleu).

On constate alors que le KBr est transparent en infrarouge sur une bande s’étendant de 4000 à 400 cm-1. 6

On observe que le NaCl est transparent sur une bande comprise : entre 4000 et 625 cm -1. En effet, on observe que la transmittance du NaCl chute après 625 cm-1. On va donc enregistrer les spectres entre 4000 et 625 cm-1 lorsque nous allons utiliser le NaCl.

III.

Enregistrement des spectres des composés purs Nous allons maintenant mesurer le spectre IR de la caféine.

La caféine est un composé solide.  Mélanger une pointe de poudre de caféine finement broyée à du KBr (environ 1% massique de poudre).  Préparer la pastille transparente (comme précédemment avec la préparation de la pastille de KBr).  Insérer le support de la pastille à l’intérieur de spectromètre et effectuer la mesure avec les réglages suivant :

Window material

KBr

Spectral Range

4000-400

Tableau 8 : Réglages pour l’ enregistrement du spectre de KBr

On obtient les trois spectres suivants :

Figure 8 : Spectres de la caféine dans le KBr

Le spectre de couleur noir correspond au premier spectre de la caféine dans le KBr réalisé expérimentalement. Le spectre de couleur bleu correspond au deuxième spectre de la caféine dans le KBr réalisé expérimentalement. Le premier ne contenait pas assez de caféine.

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Le spectre de couleur rouge correspond au spectre de la caféine dans le KBr préenregistré dans l’ordinateur. Il s’agit d’un spectre déjà enregistré par un expérimentateur. Lorsqu’on regarde les différents spectres de la caféine dans le KBr, on remarque sur chaque spectre deux bandes caractéristiques vers 1694 cm-1 et vers 1647 cm-1 (les deux bandes entourées).

Liason C=O des anhydrides d’acide cycliques

Liaison C=O des amides

vC=O

vC=0

1ère bande entre 1810 et 1870 cm-1

F

2ème bande entre 1760 et 1810 cm-1

F

Entre 1630 et 1710 cm-1

F

Figure 9 : Extrait des tables Infrarouge

Remarque : sur la table IR, la lettre devant la liaison (deuxième colonne), correspond au type de vibration de la liaison. Le v correspond à « vibration de valence » et le δ correspond à « élongation ». Dans les tables IR, il y a plusieurs types de bandes dues à une élongation (ou une vibration de valence) d’une liaison C=O. Il faut identifier l’environnement de la liaison dans la molécule c’est-àdire, regarder à quel groupement fonctionnel elle appartient.

Figure 9 : Identification de groupements de la caféine

Dans la molécule de caféine, les deux liaisons C=O proviennent de deux amides (voir le schéma cidessus). Donc d’après les tables IR, la bande correspondant à la vibration de valence d’une liaison C=O provenant d’un amide se trouve entre 1630 et 1710 cm-1 et est plutôt une forte bande. On peut alors dire que les deux bandes du spectre de la caféine qui se trouve vers 1694 et 1647 cm -1 sont bien dues aux liaisons C=O de la caféine.

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Figure 10 : Forme mésomère de la caféine

Comme nous pouvons le voir sur le schéma précédent, une des deux liaisons double C=O de la caféine est délocalisée par résonnance. Donc la constante de force (de liaison) de celle-ci sera plus faible que l’autre liaison double C=O qui n’est pas délocalisée. Or, le nombre d’onde σ est proportionnel avec la constante de force de la liaison k :

σ=

√

1 k 2π μ

Avec μ , la masse réduite. Donc, le nombre d’onde augmente avec la constante de force de la liaison. On peut alors identifier les deux bandes se situant vers 1694 et 1647 cm-1 :

IV.

-

la bande se situant au nombre d’onde le plus élevé (1694 cm-1) correspond à la liaison C=O qui n’est pas délocalisée (constante de force de la liaison plus élevée)

-

la bande se situant au nombre d’onde le moins élevé (1647 cm-1) correspond à la liaison C=O qui est délocalisée (constante de force de la liaison moins élevée).

Dosage de la caféine présente dans le thé 1. Zone d’étude

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Figure 11 : Spectre du dichlorométhane (en bleu) et de la caféine pure (en violet)

La zone dans laquelle les spectres ne se recouvrent pas et où les bandes appartenant à la caféine sont clairement délimité correspond à la bande compris entre 1600 cm-1 et 1800 cm-1 environ.

2. Préparation de la courbe d’étalonnage Pour commencer, nous allons tracer une courbe d’étalonnage à l’aide de spectres de solutions étalons. Solution prélevée

Solution prélevé (ml)

Volume fiole (ml)

Solution 1 – C1

C0

1,5

10

Solution 2 – C2

C0

2,0

20

Solution 3 – C3

C2

5,0

10

Solution 4 – C4

C2

1,0

10

Tableau 10 : Tableau récapitulatif pour la préparation des solutions (si besoin)

Calculons la concentration en mg/mL puis en mol/L des quatre solutions :

10

Calcul des concentrations en mg/mL Pour la solution mère :

m 100 C0 = = =10 mg/mL V 10

Pour

C1 =

C1 : C 0 V 0 10 × 1,5 ×10−3 =1,5 mg /mL = V1 10 ×10−3

Calcul des concentrations en mol/L

C m nM ' n ' , C = ,C=M C , C '= C= = V M V V

Avec C , la concentration massique et

Pour

C ' , la concentration molaire.

C '1 :

C'1 =

C 1 1,5 =7,73 × 10−3 mol / L = M 194

C'3 =

C 3 0,5 =2,58 ×10−3 mol / L = M 194

3. Mesure et exploitation Pour la mesure, nous avons utilisé les spectres ci-dessous. Il s’agit de spectres préenregistrés sur l’ordinateur.

11

Figure 12 : Spectres en transmittance des solutions étalons

Le spectre rouge correspond à C1, le bleu à C2, le vert à C3 et le violet à C4. On choisit la bande qui se trouve vers 1800 cm-1. On doit choisir une bande dont la transmittance est comprise entre 20 et 50% car au-delà de 50%, la solution est trop concentrée et en dessous de 20%, la solution est trop peu concentrée. Nous passons le spectre en absorbance et nous faisons un zoom sur la zone qui contient le pic vers 1800 cm-1.

Figure 13 : Zoom sur les pics correspondant à la caféine en absorbance (rouge correspond à 1,5g/L, bleu à 1g/L, vert à 0,5g/L et violet à 0,1g/L)

Nous mesurons l’aire sous la courbe du premier pic :

Concentration (g/L)

C1 Rouge 1,5

C2 Bleu 1

C3 Vert 0,5

C4 Violet 0,1

12

Aire sous la courbe

11,89

8,698

4,048

0.951

Tableau 11 : Aire sous la courbe des solutions à différentes concentrations

Aire sous la courbe (équivalent à l'absorbance)

Ces données nous permettent de tracer la droite suivante :

Aire sous la courbe en fonction de la concentration 14 12 10

f(x) = 8.55 x − 0.46 R² = 0.99

8 6 4 2 0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

Concentration (mg/mL)

Figure 14 : Droite d'ét al onnage

Pour ce premier graphique, nous obtenons bien une droite (R2 = 0,99) d’équation :

y =8,5455 x −0,4637 Grâce à ces résultats, nous pouvons mesurer la concentration de caféine présente dans une préparation de thé en poudre.

4. Extraction La cuve ayant été abîmée, nous n’avons pas pu procéder à l’extraction. Pour extraire la caféine d’une préparation de thé en poudre, il faut :    

Peser environ exactement 100mg de poudre dans un erlenmeyer de 200mL. Dissoudre en ajoutant 100mL de dichlorométhane sous la hotte. Filtrer sur coton si nécessaire. Adapter les proportions si besoin.

5. Dosage Nous avons utilisé un spectre préenregistré sur l’ordinateur :

13

Figure 15 : Spectre d'une solution de caféine dans le dichlorométhane

Pour déterminer la concentration en caféine de notre solution il faut d’abord passer en absorbance puis effectuer un zoom sur la zone correspondant aux deux pics d’absorption de la caféine. On mesure ensuite l’air sous la courbe du premier pic :

Figure 16 : Mesure de l'aire du pic

Nous avons alors mesuré l’aire sous la courbe premier pic : Aire du pic = 0,203 14

Nous avons obtenu précédemment l’équation de l’aire sous la courbe en fonction de la concentration en caféine :

y =8,5455 x −0,4637

x=

y+0,4637 8,5455

x=

0,203+0,4637 8,5455

x=7,802× 10−2 mg / mL

Nous avons donc déduit grâce à la courbe d’étalonnage la concentration en caféine de la solution préparée avec du thé en poudre et du dichlorométhane. De plus, comme nous n’avons pas préparé les solutions et donc pas calculer d’incertitudes sur les concentrations, nous ne pouvons pas présenter le résultat ci-dessus avec une incertitude.

Conclusion Notre étude nous a permis de déterminer la concentration de notre solution en concentration inconnue de caféine. Il en résulte que cette solution a pour concentration : −2

C caféine=7,802× 10 mg / mL

Crédits Photos Figure 1 : https://i2.wp.com/leportefiltre.com/wp-content/uploads/2015/05/cafeine.png

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Figure 2 : http://cdn-01.mediabrady.com/store/stfr/media/catalog/product/cache/1/image/85e4522595efc69f496374d01ef2bf13/1 424802451/d/m/dmeu_picg15_da_1_std.lang.all.png Figure 3 : Nous Figure 4 : http://www.soperwheeler.com/wp-content/uploads/2012/05/Irritant-sign.jpg Figure 5 : Nous Figure 6 : Nous Figure 7 : Nous Figure 8 : Nous Figure 9 : Nous Figure 10 : Nous Figure 11 : Préenregistré sur l’ordinateur Figure 12 : Préenregistré sur l’ordinateur Figure 13 : Préenregistré sur l’ordinateur Figure 14 : Nous Figure 15 : Préenregistré sur l’ordinateur Figure 16 : Préenregistré sur l’ordinateur

Tableau 1 à 11 : Nous

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