Analyse élémentaire

En chimie, l'analyse élémentaire est l'activité permettant la détermination des éléments chimiques constituant un composé au moyen d'une analyse chimique, d'une analyse organique, d'une spectroscopie ou d'une spectrométrie d'absorption atomique, entre autres.

Processus

Analyseur élémentaire Elementar.

Analyseur élémentaire Thermo Scientific.

L'analyse élémentaire est un processus dans lequel un échantillon (sols, eaux usées ou potables, fluides corporels, minéraux, composés chimiques, etc.) est analysé pour déterminer sa composition élémentaire et parfois isotopique. L'analyse élémentaire peut être qualitative (déterminer quels éléments sont présents), et elle peut être quantitative (déterminer la quantité de chacun). L'analyse élémentaire s'inscrit dans le cadre de la chimie analytique, c’est-à-dire dans l'ensemble des instruments impliqués dans la découverte de la nature chimique de notre monde.

Pour les chimistes organiques, l'analyse élémentaire ou AE fait presque toujours référence à l'analyse CHNX, c'est-à-dire la détermination des fractions massiques de carbone, d'hydrogène, d'azote et d'hétéroatomes (X) (halogènes, soufre) d'un échantillon. Cette information est très importante pour aider à déterminer la structure d'un composé inconnu, ainsi que pour identifier la structure et la pureté d'un composé synthétisé. De nos jours, les techniques spectroscopiques de chimie organique (telles que la RMN ¹H et ¹³C), la spectrométrie de masse et les procédures chromatographiques ont remplacé l’AE en tant que technique principale de détermination structurelle. Cependant, l’AE fournit encore des informations complémentaires très utiles et c'est également la méthode la plus rapide et la moins coûteuse pour déterminer la pureté de l'échantillon.

Antoine Lavoisier est considéré comme l'inventeur de l'analyse élémentaire en tant qu'outil expérimental quantitatif permettant d'évaluer la composition chimique d'un composé. À l'époque, l'analyse élémentaire était basée sur la détermination gravimétrique de matériaux adsorbants spécifiques avant et après l'adsorption sélective des gaz de combustion[1]^,[2]. Aujourd'hui, on utilise des systèmes entièrement automatisés basés sur la détection de gaz de combustion par conductivité thermique ou spectroscopie infrarouge, ou par d'autres méthodes de détection.

Méthodes

L’analyse CHNS, analyse la plus courante en analyse élémentaire, est réalisée dans un analyseur CHNS grâce au principe de combustion. Dans cette technique, l’échantillon est brûlé sous excès d'oxygène et les produits de combustion : dioxyde de carbone, eau et oxyde nitrique sont collectés. Les masses de ces produits de combustion peuvent être utilisées pour calculer la composition d’un échantillon inconnu. Les analyseurs élémentaires modernes sont également capables de doser simultanément le soufre et le CHN dans le même cycle de mesure[3]^,[4]^,[5]^,[6].

Quantitatif

L'analyse quantitative est la détermination de la masse de chaque élément ou composé présent [7]. Les autres méthodes quantitatives comprennent :

la gravimétrie, l’échantillon est dissous puis l’élément d’intérêt est précipité ;
la spectroscopie atomique optique, telle que l'absorption atomique à la flamme, l'absorption atomique à four en graphite et la spectroscopie d'émission atomique à plasma couplé par induction, sondent la structure électronique externe des atomes ;
l’analyse par activation neutronique, implique l'activation d'une matrice d'échantillon via le processus de capture de neutrons. Les noyaux cibles radioactifs résultants de l'échantillon commencent à se désintégrer, émettant des rayons gamma d'énergies spécifiques qui identifient les radioisotopes présents dans l'échantillon. La concentration de chaque analyte peut être déterminée par comparaison à un standard irradié avec des concentrations connues de chaque analyte[8].

Qualitatif

Pour déterminer qualitativement quels éléments existent dans un échantillon, les méthodes sont les suivantes :

la spectroscopie atomique par spectrométrie de masse, telle que la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif, qui sonde la masse d'atomes ;
une autre spectroscopie qui sonde la structure électronique interne des atomes, telle que la fluorescence X, l'émission de rayons X induite par des particules, la spectroscopie photoélectronique de rayons X et la spectroscopie d'électrons Auger ;
méthodes chimiques : test de fusion au sodium ; oxydation de Schöniger.

Analyse des résultats

L'exploitation des résultats est effectuée en déterminant le rapport des éléments présents dans l’échantillon. Ce processus est utile car il permet de déterminer la nature d’un échantillon et confirme la pureté d'un composé. L'écart accepté est de 0,3 % entre les résultats de l'analyse élémentaire par rapport aux résultats calculés[9].

Notes et références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « elementary analysis » (voir la liste des auteurs).

Pregl, Fritz (1917), Quantitative Micro-Analysis of Organic Substances, Berlin, Springer (ISBN 978-3-86444-914-7).
Fritz Pregl - Nobel Lecture, Quantitative Micro-Analysis of Organic Substances, sur www.nobelprize.org (consulté le 4 juillet 2016).
Aarhus University, Elemental Analysis Facility, 3 juillet 2016 (consulté le 3 juillet 2016).
Faculté des sciences, G.G. Hatch Stable Isotope Laboratory - Techniques - Quantitative Analysis, sur www.isotope.uottawa.ca, 4 mars 2016 (consulté le 4 juillet 2016)
Sahu, Ramesh Chandra ; Patel, Rajkishore et Ray, Bankim Chandra (1^er août 2011), Removal of hydrogen sulfide using red mud at ambient conditions, Fuel Processing Technology, 92 (8), 1587–1592, DOI:10.1016/j.fuproc.2011.04.002.
Käldström, Mats ; Meine, Niklas ; Farès, Christophe ; Rinaldi, Roberto et Schüth, Ferdi (22 avril 2014), Fractionation of 'water-soluble lignocellulose' into C5/C6 sugars and sulfur-free lignins, Green Chemistry, 16 (5), DOI:10.1039/C4GC00168K (ISSN 1463-9270).
Columbia Encyclopedia, Chemical analysis, sur answers.com
Neutron Activation Analysis, Analytical Chemistry Group (consulté le 28 novembre 2012).
CHN Elemental Microanalysis, sur www.ucl.ac.ke (consulté le 3 novembre 2017).

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[1] Pregl, Fritz (1917), Quantitative Micro-Analysis of Organic Substances, Berlin, Springer (ISBN 978-3-86444-914-7).

[2] Fritz Pregl - Nobel Lecture, Quantitative Micro-Analysis of Organic Substances, sur www.nobelprize.org (consulté le 4 juillet 2016).

[3] Aarhus University, Elemental Analysis Facility, 3 juillet 2016 (consulté le 3 juillet 2016).

[4] Faculté des sciences, G.G. Hatch Stable Isotope Laboratory - Techniques - Quantitative Analysis, sur www.isotope.uottawa.ca, 4 mars 2016 (consulté le 4 juillet 2016)

[5] Sahu, Ramesh Chandra ; Patel, Rajkishore et Ray, Bankim Chandra (1^er août 2011), Removal of hydrogen sulfide using red mud at ambient conditions, Fuel Processing Technology, 92 (8), 1587–1592, DOI:10.1016/j.fuproc.2011.04.002.

[6] Käldström, Mats ; Meine, Niklas ; Farès, Christophe ; Rinaldi, Roberto et Schüth, Ferdi (22 avril 2014), Fractionation of 'water-soluble lignocellulose' into C5/C6 sugars and sulfur-free lignins, Green Chemistry, 16 (5), DOI:10.1039/C4GC00168K (ISSN 1463-9270).

[7] Columbia Encyclopedia, Chemical analysis, sur answers.com

[8] Neutron Activation Analysis, Analytical Chemistry Group (consulté le 28 novembre 2012).

[9] CHN Elemental Microanalysis, sur www.ucl.ac.ke (consulté le 3 novembre 2017).