Chimie
La chimie peut aussi se faire à la maison. Vous pouvez suivre les protocoles proposés chez vous et impressionner votre entourage. Quelques techniques sont aussi proposées lors d'ateliers au cours de l'année, au FabLab espace Biologie/Chimie.
- Saponification à froid
- Polymérisation de la résine : Processus de Fabrication de Moules
- Fiche technique : éléctrochimie
- Spectrométrie de masse
- Création d’encre ferro-gallique
- Extraction d'acide carminique à partir de cochenilles
- Chromatographie
- Méthode de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN)
- Fiche technique : réactions organiques simples
- Réalisation d'un objet en résine à partir d'un moule en silicone
- Spectroscopie d'absorption infrarouge
Saponification à froid
Principe de la technique
La saponification en générale est une réaction chimique dont le produit final est un savon. Elle a lieu entre deux composés: une molécule grasse, qui peut être une huile ou un beurre d'origine végétale ou animale et une base, qui peut être forte, faible ou un sel basique. Il s'agit d'une réaction lente, mais totale, donc tous les réactifs seront consommés. Un exemple de réaction de saponification est représenté ci-dessous:
Il est donc possible de faire son propre savon, chez soi avec quelques ingrédients que l'on peut facilement trouver dans notre supermarché. Deux procédés principaux de la saponification existent: à chaud et à froid. Dans le protocole présenté ici, il s'agit de la saponification à froid, c'est-à-dire sans chauffage.
Calcul des masses des réactifs
- Soude
En fonction du corps gras utilisé, les quantités de soude et d'eau ajoutées ne sont pas les mêmes. L'indice de saponification correspond à la quantité en mg de soude nécessaire pour saponifier 1g d'un composé gras donné. Il est spécifique à chaque huile ou beurre. Pour avoir la masse de soude nécessaire en gramme selon l'huile ou le beurre utilisé, on divise directement l'indice de saponification (IS) par 1000.
Il faut donc calculer la masse de soude nécessaire pour chaque composé gras utilisé et les additionner pour avoir la masse de soude nécessaire totale pour la synthèse du savon.
- Eau
De plus, la quantité d'eau recommandée pour faire la solution de soude est située entre 30 et 33% de la masse totale des corps gras, c'est-à-dire que pour 100g de corps gras utilisés, on peut faire la solution de soude dans 30g d'eau déminéralisée.
- Surgraissage
Si l'on veut avoir un savon plus doux et moins desséchant, il est possible de faire un surgraissage. Au cours de la réaction, il est possible d'ajouter 5 à 10% d'huile de la masse totale des corps gras. Cette quantité ajoutée ne réagit pas et n'est donc pas transformée.
- Quelques corps gras utilisés en saponification et leur IS
- Huile de pépins de raisin, ; IS = 136 ; jusqu'à 15% de la masse total des huiles
- Huile de coco ; IS = 183 ; jusqu'à 20% de la masse totale des huiles
- Huile de ricin; IS = 126 ; jusqu'à 15% de la masse totale des huiles
- Huile d'olive ; IS = 135 ; jusqu'à 100% de la masse totale des huiles
- Huile de colza ; IS = 124 ; jusqu'à 35% de la masse totale des huiles
- Huile de tournesol ; IS = 134 ; jusqu'à 35% de la masse totale des huiles
- Huile de pépins de raisin, ; IS = 136 ; jusqu'à 15% de la masse total des huiles
Précaution
La soude est un composé très corrosif (pH très basique), il faut donc la manipuler en se protégeant et donc en portant une blouse, des gants et des lunettes de protection.
Protocole
- Matériel
- un mixeur
- une balance de précision
- des moules en silicone
- trois béchers (un grand et deux moyens)
- une spatule
- de la soude caustique
- des corps gras
- des agréments au choix (vitamine E, huiles essentielles, colorants etc.)
- Calcul de la quantité de réactifs
Pour ce protocole, on choisit d'utiliser 85g d'huile d'olive et 15g d'huile de colza, dont les IS sont respectivement de 135 et 124.
-
- (135/1000)*85 = 11,48g de soude pour l'huile d'olive
- (124/1000)*15 = 1,86g de soude pour l'huile de colza
- Masse totale de soude = 13,34g
On décide de faire un surgraissage à 8% d'huile d'olive. On ajoute donc 8g d'huile d'olive pendant la réaction.
Enfin, la masse d'eau est de 33g.
- Protocole
- Peser la quantité de cristaux de soude et d’eau calculée dans deux béchers distincts
- Ajouter doucement la soude à l’eau et non l’inverse sous la hotte : ce mélange va dégager des vapeurs toxiques et de la chaleur, il est donc important de s’équiper correctement (gant, blouse et lunettes en cas de projection et de manipuler sous hotte)
- Agiter à l’aide d’une spatule toujours sous la hotte et réserver jusqu’à dissolution complète des cristaux
- Peser les corps gras et les chauffer au bain marie (environ 30 à 50°C si beurres végétaux ou pour ralentir l’apparition de la trace au moment de la réaction) jusqu'à obtenir un mélange huileux homogène
- Verser ensuite la solution de soude dans le mélange huileux et non l’inverse (afin d’éviter les projections)
- A l’aide d’un mixeur plongeant émulsionner le mélange en prêtant attention aux projections
- A ce stade (étape de la trace) une trace recouvre progressivement le mixeur, la pâte à savon commence à se former. C'est à ce moment que les huiles de surgraissage et les agréments doivent être ajoutés
-
- Homogénéiser la pâte à savon et couler la préparation dans les moules
- Recouvrez les moules et les placer dans un endroit sec
Le savon va se solidifier plus ou moins rapidement. Il est cependant important de le laisser sécher au moins 1 mois ou plus pour prolonger son utilisation.
Le résultat final :
Polymérisation de la résine : Processus de Fabrication de Moules
Description Générale
La réaction de la polymérisation est une réaction chimique au cours de laquelle de petites unités moléculaires - monomères, se combinent de manière répétée pour former de longues chaînes moléculaires - polymères.
La polymérisation de la résine permet d'obtenir une structure polymérique solide à partir des monomères suite à la mélange de la résine avec le durcisseur. Cette réaction est exothermique c'est-à-dire que suite à ce processus on peut observer le dégagement de l'énergie sous forme de chaleur. Elle déclenche l'assemblage des monomères dans les structures polymériques tridimensionnelles accompagné par la solidification du matériau.
Les moules produites grâce à cette réaction sont assez flexibles et résistantes à l'usure.
Protocole
Protocole amélioré pour la fabrication d'un moule flexible en résine polyuréthane :
1. Préparation des composants
- Assurez-vous que les composants A et B de la résine polyuréthane sont à température ambiante.
- Mesurez avec précision 30g de composant A et 30g de composant B à l'aide d'une balance à précision.
2. Mélange des composants
- Dans un récipient propre et sec, versez le composant A, suivi du composant B, en respectant la proportion de 30g pour 30g.
- Mélangez vigoureusement les deux composants pendant environ 1 à 2 minutes, en veillant à obtenir une homogénéité complète.
3. Observation de la réaction exothermique
- Pendant le mélange, soyez attentif au dégagement de chaleur résultant de la réaction exothermique entre les composants. Cela est normal et témoigne de l'activation du processus de durcissement.
4. Transfert dans le moule
- Une fois le mélange homogénéisé, versez la substance dans le moule préalablement préparé et parfaitement sec.
5. Durcissement initial
- Laissez la résine polyuréthane se durcir dans le moule pendant environ 4 minutes.
6. Démoulage du moule flexible
- Après un temps total d'environ 12 minutes, vous pouvez démouler le moule flexible. Assurez-vous que le durcissement est suffisamment avancé pour obtenir une structure solide mais suffisamment souple pour permettre un démoulage facile.
Fiche technique : éléctrochimie
L’électrochimie :
Définition :
L'électrochimie c'est l'étude scientifique des transformations de l’énergie chimique en énergie électrique. Une réaction électrochimique, c'est tout simplement une réaction où aura lieu un transfert de charge en phase hétérogène donc une phase solide qui sera l’électrode et une phase liquide.
Électrode c'est une pièce conductrice généralement en métal qui sera lié à un appareil électrique (voltmètre)
2 types d’électrode :
- Électrode de référence : son potentiel ne change pas et elle permet donc de stabiliser le potentiel dans les conditions de la mesure électrochimique ( exemples : électrode à hydrogène (ESH), électrode de référence au calomel (ECS))
- Électrode métallique :
-
-
- De première espèce : un métal qui plonge dans un de ses sels (électrode d'Ag dans une solution d'argent)
- De seconde espèce : métal qui plonge dans un sel peu soluble et un sel à anion commun
- De troisième espèce : métal inerte qui plonge dans une solution contenant l’oxydant et le réducteur
- De première espèce : un métal qui plonge dans un de ses sels (électrode d'Ag dans une solution d'argent)
-
Exemple : pile électrochimique
L'électrode de cuivre attire les électrons vers lui, c'est la cathode, la borne positive de la pile. Du coté de l'électrode de zinc, il y a oxydation, elle est est progressivement consommée.
Réactions associées :
Zn(s) = Zn2+ + 2e-
Cu2+ + 2e- = Cu(s)
Cu2++Zn(s) = Cu(s) + Zn2+
Pour mettre en place tout cela :
Matériel nécessaire :
- Voltmètre
- Pont salin
- 2 béchers
- 2 électrodes
Protocole expérimental :
- Écrire votre réaction, vous assurez que la réaction peut avoir lieu et qu'elle est équilibrée.
- Mesurer les réactifs, choisir les concentrations par rapport à votre réaction.
- Séparer les deux réactifs qui rentrent en jeu dans deux béchers différents
- Introduire les électrodes correspondantes dans les béchers
- Relier au voltmètre (n'oubliez pas de le brancher) .
- Relier les deux béchers par un pont salin imbibé ( par KNO3 par exemple) afin de fermer le circuit.
Spectrométrie de masse
La spectrométrie de masse est une technique permettant d'identifier la structure des composants dans un échantillon et de déterminer leur masse moléculaire. Elle est utilisée dans les domaines de la biologie, la chimie, la pharmacologie, la médecine légale…
Cette technique se base sur le principe d'ionisation des molécules et leur séparation en fonction de leur rapport masse/charge m/z. Elle consiste en 3 étapes principales:
1- Ionisation : Les molécules de l’échantillon sont ionisées, soit par retrait ou ajout d’un électron ou d’un proton, créant ainsi des particules chargées (ions) qui peuvent être manipulées par des champs électriques et magnétiques.
2- Séparation : Les ions sont séparés en fonction de leur rapport masse/charge à l’aide de champs magnétiques et/ou électriques. Différents types d’analyseurs de masse sont utilisés à cet effet, tels que les quadrupôles, les pièges à ions et les analyseurs de temps de vol (TOF).
3- Détection : Les ions séparés sont détectés, généralement en mesurant le courant généré lorsqu’ils frappent un détecteur. L’intensité du signal est proportionnelle au nombre d’ions avec un rapport masse/charge particulier.
4- Analyse des données : Les données résultantes, souvent représentées sous forme de spectre de masse, sont analysées pour déterminer la masse moléculaire et, dans certains cas, la structure des composés de l’échantillon.
Source d'ionisation:
L'ionisation dure permet une fragmentation importante des molécules contrairement à l'ionisation douce.
1- Impact électronique:
- En phase gazeuse
- Consiste à provoquer des collisions entre les molécules sans charges initiales et des électrons obtenus par effet thermo-ionique
- Dans un choc, il y a arrachement d’un des électrons les moins retenus de la molécule, ce qui conduit à un ion porteur d’une charge élémentaire positive.
- Rupture des liaisons et formation d’un très grand nombre de fragments
- Le spectre EI est la carte d’identité de la molécule
AVANTAGES:
- reproductible
- bases de données disponibles
INCONVENIENTS:
Génération de beaucoup de fragments et l'ion moléculaire est très faible en intensité.
2- Impact chimique:
- Ionisation en phase gazeuse
- Résulte de la réaction entre les molécules du composé M et des ions obtenus par bombardement d’électrons sur un gaz, tel le méthane, l’ammoniac ou l’isobutane, introduit conjointement au composé dans la source de l’appareil
AVANTAGES
- Peu voire pas de fragments (spectre clairs), présence de forme pseudo-moléculaire
INCONVENIENTS
- gaz à ajouter dans la source, côté moins pratique et coûts plus élevés
3-Electrospay
- Ionisation douce à pression atmosphérique
- Formation de gouttelettes chargées
- Les gouttelettes, en s’évaporant, provoquent une augmentation de la densité de charges électriques au point qu’elles explosent en expulsant des molécules de l’analyte porteuses de plusieurs charges
- Formation d’ions pseudo-moléculaires ou d’adduits
- Formation d’espèces multichargées avec des rapports m/z bas
- Permet de déterminer la masse moléculaire
Types de Détecteurs
- Plaques Photographiques: le noircissement de la plaque donne une valeur relative de l’intensité du flux (quantité d’ion)
- très peu sensible; détecteur historique
- Cylindre de Faraday: transfert de charge de l’ion détecté sur une surface conductrice, puis amplification du signal
- précis mais peu sensible, gros bruit de fond
- Multiplicateur d'électron: dopage du signal par la formation d’électron secondaire à l’aide de tubes en verres dopés au plombs (dynode)
- bonne sensibilité et balayage rapide
- moins précis, durée de vie limitée
- Multiplicateur de photon: dopage du signal par la formation d’électron secondaire (dynode). Ceux-ci sont accélérés vers l’écran phosphorescent où ils ont convertis en photons. Ces photons sont ensuite détectés par le photomultiplicateur.
- bonne sensibilité, gain d’amplification très forte
- balayage moins rapide qu’un multiplicateur d’électron
Création d’encre ferro-gallique
Qu’est ce que l’encre ferro-gallique :
Cette encre médiévale s’appelle une encre ferro-gallique, cela est du aux sels métalliques (sulfate de fer) qui entrent dans sa composition. Il est nécessaire de manipuler ces sels métalliques avec précautions en mettant des gants, car ils sont irritant pour la peau. La plupart des ingrédients nécessaire à la fabrication de l’encre métallo-gallique sont trouvables chez un droguiste.
Les Egyptiens connaissaient déjà la réaction des sels de fer sur les extraits de galles. Mais il faut attendre le moyen-âge pour que l'encre ferro gallique se répande en Europe, au point de devenir le véhicule de toutes les écritures durant huit cents ans. Elle est appréciée pour sa facilité de fabrication et sa stabilité. On possède des manuscrits vieux de dix siècles écrits avec cette encre : elle n'a rien perdu de sa noirceur.
Jusque vers 1850 c'est l'encre unique que l'on utilise en France. Les dessinateurs, en particulier, s'en servent pour le trait et pour le lavis, en concurrence avec le bistre, la sépia et plus tard l'encre de chine (beaucoup plus visqueuse). Indélébile, très fluide, elle est appréciée pour les écritures officielles : c'est
« l'encre de l'état civil » du XIX° siècle. Le résidu de la filtration forme une boue noire qui servait au marquage des emballages militaires et des tonneaux. En 1974 elle était encore utilisée en Allemagne pour certaines écritures administratives.
Ingrédients :
- 1 unité de noix de galle / d’acide tannique
- 1 unité de gomme arabique
- 1 unité de sulfate de fer
- 48 cl d’eau de pluie ou d’eau distillée
1) Les noix de galle (acide gallotannique)
Les noix de galles sont des croissances sphériques trouvées sur les chênes. Leur développement est
déclenché lorsque les insectes perforent des branches d'arbre et des brindilles là où ils déposent
ensuite leurs œufs. Lorsque les larves éclosent, elles se nourrissent de l'arbre et sécrètent un irritant.
Les galls sont le mécanisme de défense de la plante. Au fur et à mesure qu'elles grandissent, elles
fournissent un abri et de la nourriture aux larves jusqu'à leur maturité et sont capables de mâcher
leur chemin.
Les noix de galle sont utilisés comme source des tanins - des polyphénols qui peuvent être extraits
de diverses parties de plantes (écorce, feuilles, gousses, fruits, noix ). Le tanin peut également être
extrait d'autres sources telles que le bois ou l'écorce de châtaignier, de chêne, de Sumach, des
grenades.
L'acide gallotannique est le type de tanin, et ce sont les groupes d'acide gallique dans l'acide
gallo-annique qui réagissent avec le sulfate de fer pour créer le complexe tanate ferrique coloré.
L'hydrolyse de l'acide gallotannique pour produire de l'acide gallique et de l'eau peut être
réalisée en utilisant des acides ou en laissant fermenter la solution de tanin .
2) Le sulfate de fer II ou sulfate ferreux - FeSO4*7H2O
Utilisé comme source de fer. En mélangeant du tanin avec du sulfate de fer, un complexe
soluble dans l'eau se forme. Du fait de sa solubilité, l'encre est capable de pénétrer la surface
du papier, ce qui rend difficile l'effacement. Lorsqu'il est exposé à l'air, il se transforme en
un tannate ferrique, qui est un pigment plus foncé pas soluble dans l'eau, ce qui contribue
à sa permanence en encre d'écriture.Le processus d'obscurcissement de l'encre est dû à l'oxydation des ions de fer (Fe 2+) à (Fe3+) par l'oxygène de l'air. Pour cette raison, l'encre liquide doit être stockée dans un flacon bien arrêté, et
devient souvent inutilisable après un certain temps.
3) Gomme arabique
Il est utilisé comme liant en encres et en peintures et peut être trouvé sous forme de grumeaux
transparents allant du jaune pâle à l'orange.
La gomme arabique sert de nombreux objectifs dans une encre: elle rend l'encre plus visible,
améliorant son écoulement à partir du stylo; elle maintient les particules pigmentaires insolubles en
suspension; elle aide à lier l'encre à la surface d'écriture; et elle donne plus de brillance et de
profondeur de l'encre.
Matériel nécessaire à la manipulation :
- Balance
- Mortier et pilon
- Bécher
- Plaque chauffante
Protocole :
Il faut commencer par piller les noix de galle en petits morceaux, puis mettre ces morceaux dans une casserole avec l’eau de pluie.
Mettre ensuite ce mélange à bouillir, jusqu’à ce que la quantité d’eau soit réduite de moitié.
Ensuite après avoir laisser refroidir, il faut filtrer le mélange à travers un linge, puis le remettre sur le feu.
Une fois que le mélange recommence à bouillir, mettre la gomme arabique pilée et attendre qu’elle se dissolve en mélangeant.
Il faut ensuite ajouter sulfate de fer, et remuer quelques secondes.
Enfin, il faut retirer le mélange du feu et bien le mélanger pour que tout les ingrédients soit bien dissous.
Laisser ensuite l’encre à l’air libre dans la casserole pendant une nuit, ce qui la rendra plus brillante et plus noire .
Le lendemain, il faudra filtrer l’encre dans un morceau de tissus, puis la mettre dans un flacon ou une bouteille hermétique.
L’encre est maintenant prête à être utilisée !
La chimie derrière la création de l’encre ferro-gallique :
Les encres ferro-galliques sont des préparations élaborées, comportant bien entendu du fer, mais aussi des tanins, ces substances organiques que l’on trouve dans de très nombreux végétaux : pépins de raisins ou écorces de chêne ; on les retrouve typiquement dans le vin, mais aussi le thé. Un exemple de précurseur de tanin bien connu est l’acide gallique, un dérivé du phénol présent dans la noix de galle, d’où le nom « ferro-gallique » donné à l’encre.
La recette générale des encres ferro-galliques est la suivante : on prend de l’extrait de noix de galle, ce qui revient à en récupérer l’acide gallique et on le mélange avec du sulfate de fer. On obtient un précipité noir qui peut alors être utilisé comme encre. Que se passe-t-il chimiquement? Il se produit en fait une réaction entre l’acide gallique et les ions Fe2+ du sulfate de fer, qui, en présence de l’oxygène ambiant, conduisent à une oxydation de Fe2+ en ions Fe3+, avec la formation d’un complexe dit binucléaire.
Déjà connue dans l’Antiquité et très répandue au Moyen Âge, cette recette s’est affinée au cours du temps par l’ajout d’un « liant » tel que la gomme arabique, dont le rôle est d’ajuster la viscosité de l’encre et faciliter l’écriture.
Extraction d'acide carminique à partir de cochenilles
L'acide carminique est un colorant naturel qui peut être obtenu par séchage de cochenilles (un insecte hemiptère, parasite de plantes), nottament l'espèce Kermes vermilio qui se développe sur le chêne en Europe, ou l'espèce Dactylopius coccus qui se développe sur des cactus du genre Opuntia (comme le figuiers de Barbarie) en Amérique du Sud. De nos jours, le pigment carmin est un complexe d'acide carminique et d'aluminium, les cochenilles sont toujours récoltées à la main principalement au Pérou.
(images libres de droit)Récolte de cochenilles en Amérique du Sud
Depuis que nous avons une plante parasitée par une espèce de cochenille farineuse, l'idée est venue de tester une extraction du colorant.
photo au microscope d'une cochenille collectée sur la plante du Fablab (Epiphyllum chrysocardium)
Procédure d’extraction de l’acide carminique :
-
Sécher la cochenille par exemple avec un détecteur d'humidité, un bec bunsen électrique, ou encore du silicate gel.
-
Broyer la cochenille dans un mortier. On peut aussi extraire le pigment à partir de l’insecte entier mais le broyage permet un meilleur rendement.
-
Mélanger le résultat à de l’eau distillée dans un récipient non réactif (inox, verre…), (l’acide carminique est soluble dans l’eau, l’alcool, les esters, les solutions acides ou alcalines, mais insoluble dans “l'éther de pétrole”, le benzène et le chloroforme)
-
dosage : 0.125 g de poudre sont ajoutés à 30 ml de solvant
-
-
Ajuster la couleur en modifiant le pH de la solution (on peut ajouter du jus de citron, de l’alun ou du vinaigre)
-
Effectuer une ou plusieurs extractions (Attention l’acide carminique peut être altéré s'il est chauffé à plus de 80°C pendant plus d’une heure)
-
Méthode simple : Faire bouillir pour précipiter le mélange et former le colorant (le plus simple). La partie solide comme la partie liquide peuvent être utilisées selon les besoins.
-
Méthode avancée : Faire chauffer 30min à plusieurs températures (?) puis refroidir à 4°C. Ensuite centrifuger à 3000 rpm pour 5 min. Répéter cette procédure deux fois en récoltant à chaque fois la partie surnageante. Le surnageant est ensuite dilué (500ml pour les deux surnageants issus des 0.125g de poudre)
-
Méthode alternative : séparation solide–liquide (floculation et filtration)
-
MATÉRIEL :
-
cochenilles
-
mortier
-
pilon
-
eau distillée
-
récipients en matière non réactive (ballon en pyrex et un bécher)
-
solutions avec différents degrés d’acidité
-
bec bunsen
-
réfrigérateur
-
éprouvettes
-
centrifugeuse
-
pipette
Chromatographie
But : La séparation des composants chimiques dans un mélange par la migration sur la phase mobile (liquide ou gaz) et la phase stationnaire (papier ou gélatine). Il existe deux types de chromatographies : analytique - identification des composants dans un mélange, et préparatoire - purification des constituants.1
Principe : La migration des composants se fait selon leur affinité à la phase. La vitesse de migration caractéristique à chaque composant permet d’effectuer la séparation. L’échantillon avec des composants est dissous par une phase mobile et est entraîné à travers la phase stationnaire. Il existe plusieurs interactions entre les composants du mélange et la phase.
Chromatographie selon le type d'interaction :
Chromatographie d’adsorption - chromatographie avec une phase stationnaire solide avec des propriétés absorbantes et une phase mobile liquide. La séparation s’effectue selon la force d’absorption de la phase solide et la force d’élution de la phase mobile liquide.
Figure 1 : Principe de la chromatographie à deux dimensions sur papier
https://www.universalis-edu.com/medias/media/chromatographie-sur-papier-v050761
Chromatographie de partage - séparation dans deux phases liquides non miscibles.
Chromatographie à échange d’ions - séparation selon les groupes chargés. La phase stationnaire est une matrice immobile avec des charges opposées à celles de l'échantillon. Les groupes ionisés de l’échantillon sont retenus sur la phase stationnaire suite à leur interaction avec les charges opposées. On utilise les contre-ions pour la phase stationnaire et mobile afin d'équilibrer des charges. Cette interaction résulte d'une mise en jeu de loi de Coulomb.
Figure 2 : Illustration de la chromatographie échangeuse d'ions : schéma de l'échange anionique
Chromatographie d'exclusion stérique - chromatographie en phase liquide permet de séparer les composants en fonction de leur taille. La phase stationnaire est normalement un gel composé des billes poreuses. Selon la taille des composants ceux-ci seront inclus ou exclus des billes. Souvent utilisée pour l'étude des polymères. Il existe 2 types : chromatographie sur gel perméable et filtration sur gel.
Attention : ce type de séparation ne se base pas sur l'affinité mais sur la taille des molécules
Figure 3 : Illustration de la chromatographie d'exclusion stérique avec un exemple de chromatogramme
Chromatographie selon le type de phase :
- Chromatographie en couche mince (CCM/TLC)2
- Le mélange à analyser est déposé sur la plaque chromatographique (exemple : plaque d’aluminium recouverte de gel de silice ou d'un papier filtre)
- La plaque est mise en contact de l'éluant (c'est un solvant, exemple : dichlorométhane)
- L'éluant migre de bas en haut par capillarité
- Les composants du mélange déposés migrent vers le haut suite à la migration de l'éluant
- Chaque composant migre différemment selon sa taille, il s'agit de la migration différentielle
- Ensuite, on effectue l'analyse comparative
N'oubliez pas de mettre les témoins sur la ligne de dépôt
Il existe de nombreux révélateurs (exemple : la vanilline)
Liste des révélateurs selon les composés à détecter
La vanilline est un révélateur courant car il se lie à de nombreuses fonctions chimique.
On peut révéler la migration avec des UV avant de faire une révélation chimique.
N'oubliez pas de fixer des rideaux et de porter des lunettes de protection lors de l'utilisation des UV
La visualisation au UV est rapide et non destructive mais tous les produits ne révèlent pas avec la même intensité aux UV.
Figure 4 : Boite en bois équipée d’une lampe UV
Voici un exemple de 2 révélations : on teste ici des jus de poivrons (infecté par un champignon B.cinerea, traité à l'eau, traité à la cellulase) dont on sait qu'il contient une ou plusieurs molécules antifongique, comme le capsidiol. Une révélation chimique avec de la vanilline (à droite) sert à identifier les molécules présentes dans les jus. Une révélation biologique avec une pulvérisation de spores (à gauche) sert à identifier quels composés à une activité antifongique.
- Chromatographie en phase gazeuse (CPG/GC)3
- L'échantillon est dilué dans un étalon inerte de concentration connue → gaz vecteur
- Le mélange liquide est placé dans une chambre à haute température pour la vaporisation
- A la sortie de la chambre, les composants gazeux sont entrainés par la phase mobile → un courant de gaz inerte
- La phase stationnaire utilisée est la colonne polaire (remplie ou capillaire)4
La vitesse de migration est associée à l'affinité du composé à la phase stationnaire ou à la phase mobile
- Analyse comparative par chromatogramme. L'apparition des pics est corrélée avec la vitesse de migration
- Détermination de la concentration de l'espèce identifiée en se basant sur la valeur de l'aire de pic
Figure 5 : Chromatogramme d'un mélange d’alcanes
https://culturesciences.chimie.ens.fr/sites/default/files/2021-05/chromatogramme_c.png
- Chromatographie en phase liquide (CPL/LC)
-
Dissolution du mélange dans un solvant approprié
-
Injection de l'échantillon dans le système chromatographique
-
La phase mobile (solvant ou mélange de solvants) est pompée à travers la colonne
-
Les composants sont séparés dans une colonne remplie de phase stationnaire solide ou liquide immobilisée
-
Les composants interagissent différemment avec la phase stationnaire, entraînant leur séparation selon leur affinité
-
Les composants séparés passent par un détecteur (UV-Vis, fluorescence, etc.)
-
Un chromatogramme est généré, où chaque pic représente un composant distinct
- Chromatographie en phase liquide haute performance (HPLC) → voir la page wiki
Avantages et Inconvénients :
Tableau 1 : Avantages et Inconvénients de chaque type de chromatographie selon le type d'interaction5
| Type d'interaction | Exclusion stérique |
Échangeuse d'ions | Adsorption | Partage |
| Résolution | Résolution modérée | Résolution modérée à élevée | Faible |
Bonne résolution |
| Capacité | Capacité modérée | Haute capacité | Capacité élevée |
Capacité modérée à élevée |
|
Observations diverses
|
Inconvénients -Moins adaptée pour les petites molécules -Moins de sélectivité pour des composés similaires en taille
Avantages +Utilisable pour changer de tampon +Compatibilité avec les détergents |
Inconvénients -Nécessite des contre-ions appropriés -Temps d'analyse plus longs
Avantages +Très bonne sélectivité +Larges domaines d'application |
Inconvénients -Sensible aux variations de la composition de la phase mobile -Coût en solvants élevé
Avantages +Moins sensible aux variations de la température
|
Inconvénients -Technique limitée avec des masses moléculaires élevées -Sensible aux impuretés dans les colonnes
Avantages +Technique simple
|
Tableau 2 : Avantages et Inconvénients de chaque type de chromatographie selon la phase
| Type d'interaction | Chromatographie sur Couche Mince (CCM/TLC) | Chromatographie en Phase Gazeuse (CPG/GC) | Chromatographie en Phase Liquide (CPL/LC) |
|---|---|---|---|
| Résolution | Faible à modérée | Résolution élevée | Bonne résolution |
| Capacité | Capacité limitée | Capacité élevée | Capacité modérée à élevée |
|
Observations diverses
|
Inconvénients -Limité aux analyses quantitatives -Sensibilité limitée
Avantages +Technique simple et économique +Rapidité |
Inconvénients -Nécessite des composés volatils -Coûteuse
Avantages +Rapidité +Grande capacité de séparation |
Inconvénients -Temps d'analyse plus long -Coûteuse
Avantages +Haute résolution +Compatibilité avec un large gamme de détecteurs
|
.
Références :
- https://fr.wikipedia.org/wiki/Chromatographie
- https://www.maxicours.com/se/cours/realiser-une-chromatographie-sur-couche-mince--seconde--physique-chimie/
- https://www.maxicours.com/se/cours/les-applications-de-la-chromatographie/
- https://culturesciences.chimie.ens.fr/thematiques/chimie-analytique/chromatographie/la-chromatographie-en-phase-gazeuse-principe
- https://planet-vie.ens.fr/thematiques/manipulations-en-laboratoire/la-chromatographie
Méthode de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN)
Introduction et Principe:
La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) est une technique analytique puissante utilisée en chimie pour déterminer la structure des molécules, leur dynamique, ainsi que les interactions entre molécules. La RMN repose sur les propriétés magnétiques des noyaux atomiques et est particulièrement utile pour l'analyse des composés organiques.
Les noyaux atomiques possédant un spin nucléaire, lorsque soumis à un rayonnement électromagnétique, absorbent et ensuite relâchent l'énergie du rayonnement. L'énergie absorbée correspond à une fréquence spécifique, permettant l'observation des propriétés quantiques magnétiques des noyaux. Les noyaux actifs RMN tels que ^1H, ^13C, ^15N, ^19F s'alignent selon ou contre le champ magnétique appliqué. Ensuite, une onde radiofréquence est appliquée, provoquant la transition des noyaux entre états d'énergie. Lors du retour à l'état de base, les noyaux émettent des signaux détectés et convertis en spectre RMN.
La spectrométrie de RMN est la technique la plus utilisée pour étudier cette propriété, par plusieurs disciplines en chimie (organique, inorganique, sciences des matériaux) et biochimie (structure des molécules). Un autre domaine d'application très important est l'Imagerie par Résonance Nucléaire (IRM).
Les bases théoriques:
- Spin Nucléaire: Les noyaux atomiques possèdent un moment angulaire intrinsèque appelé spin. Les noyaux avec un spin non nul sont actifs en RMN.
- Interaction avec le Champ Magnétique: Lorsqu'un noyau actif en RMN est placé dans un champ magnétique externe (B0), il adopte des orientations quantifiées par rapport à ce champ.
- Transitions Énergétiques: Les noyaux peuvent passer d'un état d'énergie plus faible (parallèle au champ) à un état d'énergie plus élevé (antiparallèle au champ) en absorbant une quantité d'énergie spécifique.
- La fréquence de résonance v est définie par la relation ci-dessous, ou γ est est le rapport entre le moment magnétique et le moment cinétique de la particule.
Le spectromètre RMN:
Le spectromètre RMN est l'instrument de mesure utilisé pour l'analyse par spectroscopie RMN. Il y a plusieurs types:
- RMN du Proton: Utilisée pour étudier les composés organiques.
- RMN du Carbone 13: Permet de mieux comprendre les squelettes carbonés des molécules.
- RMN Multinucléaire: Analyse de noyaux comme ^15N, ^19F, ^31P.
- RMN en Solide: Étude des matériaux solides non solubles.
Préparation et Acquisition des Données :
- Échantillon : Dissoudre l'échantillon dans un solvant deutéré pour éviter l'interférence des signaux du solvant.
-
Tube RMN : Placer la solution dans un tube RMN spécifique, généralement en verre, d'un diamètre standard de 5 mm.
-
Magnétisation : L'échantillon est soumis à un champ magnétique B0, alignant les spins des noyaux dans la direction du champ.
-
Impulsion RF : Une courte impulsion de radiofréquence B1, perpendiculaire à B0, excite les noyaux, les déplaçant dans le plan transverse.
-
Relaxation : Après l'impulsion, les spins retournent à leur état d'équilibre, émettant des signaux RF détectés par une bobine.
-
FFT : Ces signaux sont convertis en domaine de fréquence via une transformation de Fourier rapide (FFT) pour obtenir le spectre RMN.
Choix du Champ Magnétiques - Recommandations:
- 300-400 MHz : Adapté pour les analyses de routine des composés organiques simples.
- 500-600 MHz : Convient pour des études plus complexes, offrant un bon compromis entre sensibilité et coût.
- 700 MHz et plus : Utilisé pour des recherches avancées et des études très détaillées, particulièrement utile pour les biomolécules et les matériaux.
Interprétation des Spectres :
-
Déplacement Chimique (δ) : Position des pics sur l’axe des fréquences (en ppm) par rapport à une référence standard comme le TMS (tetraméthylsilane pour 1H et 13C). Indique l'environnement chimique des noyaux.
-
Constante de Couplage (J) : Distance entre les sous-pics dans un signal multiplet (en Hz), donnant des informations sur les interactions spin-spin entre noyaux voisins.
-
Intégration : Aire sous les pics qui est proportionnelle au nombre de noyaux responsables du signal (seulement en RMN 1H).
Logiciels :
Utilisation de logiciels de traitement et d'interprétation des spectres RMN -> TopSpin, MestReNova
Fiche technique : réactions organiques simples
Cette page a été écrite en reprenant le contenu du cours du LU2Ci002, chimie organique 1, de Ludovic Jullien, Giovanni Poli et Serge Thorimbert de l'année universitaire 2020-2021 à Sorbonne Université.
Introduction
Cette page a pour but de vous introduire la chimie organique, à travers quelques réactions simples, la substitution nucléophile (SN) et l'élimination (E), sur des fonctions monovalentes. Ces fonctions correspondent à une famille d'espèces chimiques, où la fonction comporte un atome X (ou un groupe d'atomes) électronégatif directement lié à l'atome de carbone C tétraédrique. Cette fonction peut être un halogène (Cl, Br, I), un alcool (OH) ou amine (NR1R2).
Schéma d'une molécule possédant une fonction monovalente
Afin de simplifier les choses, nous allons nous focaliser sur les dérivés halogénés (X = Hal).
Substitution nucléophile
Il existe deux types de substitution nucléophile, la SN2 et la SN1. La substitution nucléophile se fait en présence d'un nucléophile Y-, possédant au moins un doublet non liant. Elle s'effectue en une étape au cours de laquelle la formation de la liaison C-Y et la rupture de la liaison X-C ont lieu en même temps et un état de transition est observé dans le cas de la SN2. Tandis que pour la SN1, ces deux étapes se font successivement, indépendamment l'une de l'autre.
Bilan réactionnel d'une substitution nucléophile sur un dérivé halogéné
Mécanisme réactionnel d'une SN2 sur un dérivé halogéné
Mécanisme réactionnel d'une SN1 sur un dérivé halogéné
Élimination
Tous les nucléophiles n'entrainent pas de réactions de substitution, il peut arriver de faire face à une élimination à la place, notamment lorsqu'il est basique B-. Le dérivé halogéné est éliminé pour former une double liaison carbone-carbone. Il existe trois types d'élimination, la E2, la E1 et la E1cB.
Exemple de réaction d'élimination (l'alcène obtenu le plus majoritaire correspond à celui qui est le plus substitué c'est-à-dire avec le moins d'atomes d'hydrogène sur la double liaison)
Semblable à la SN2, la E2 se fait une unique étape au cours de laquelle la formation de la double liaison C=C et la rupture des liaisons C-H et C-X ont lieu simultanément.
Mécanisme réactionnel d'une E2
Pour les E1 et E1cB, on observe deux étapes. Lors de la E1, un carbocation est formé, à l'issue de la rupture de la liaison C-X. La seconde étape constitue simultanément la rupture de la liaison C-H et la formation de la liaison C=C. Tandis que pour la E1cB, la rupture de la liaison C-H se fait en premier pour formé en carbanion, qui réagit ensuite pour former la liaison C=C et rompre la liaison C-X.
Mécanisme d'une E1 sur un dérivé halogéné. La libre rotation de la liaison C-C du carbocation détermine l'obtention possible de deux dérivés éthyléniques.
Mécanisme d'une E1cB sur un dérivé halogéné.
Réalisation d'un objet en résine à partir d'un moule en silicone
Pour créer notre objet en résine , il nous faut un moule de la forme de notre objet afin de pouvoir y couler la résine. Nous devrons donc avant toute chose concevoir ce moule en silicone. Pour réaliser ce moule , il nous faut une version prototypée de notre objet. Cette première version de notre objet sera imprimée en 3D. Comme objet , j'ai choisie de réaliser une fusée.
Modélisation 3D de l'objet et impression
-
Modélisation 3D
Pour la modélisation 3D , j'ai utilisée le logiciel open source Blender. Dans un premier temps , j'ai tenté de suivre le début d'un tutoriel sur youtube pour réaliser ma fusée https://www.youtube.com/watch?v=3cctPtVxomE mais j'ai finalement pris quelques libertés pour rendre le projet plus simple et adapté à une première modélisation et impression 3D. J'ai d'abord fait un cylindre pour l'élément principalement de ma fusée que j'ai extruder plusieurs fois. J'ai ensuite fait un cylindre de plus petite taille également extruder pour lui donner cette forme si particulière. J'ai dupliqué et effectué une rotation afin de pouvoir placer ces quatre "propulseurs". Afin de réduire les contraintes pour l'impression 3D de cette fusée , j'ai fait une face plane. Pour la réussite de ce projet , quelques modifiers ont été appliqué tel qu'un booléen pour unir les différentes pièces entre elle et une subdivision de face afin de rendre la surface plus lisse. Ne pas oubliez de joindre ses différentes parties pour que l'objet ne soit pas sous divisé lors de l'impression. La modélisation de votre objet peut avoir de nombreuses conséquences sur votre impression 3D.
J'ai réalisé en tout trois impression 3D due à des erreurs de modélisation. Pour la première , je n'ai pas joint les différentes parties de ma fusée ce qui a subdivisé ma fusée lors de l'impression. Pour la deuxième version , joindre ne suffit pas à avoir un seul objet , il faut insérer la notion de booléen pour unir les volumes. Pour la troisième version , j'ai introduit le modifier booléen et j'ai augmenté la subdivision de face afin d'avoir le rendu le plus arrondi possible.
-
Impression 3D
Pour une rapidité d'impression optimale , j'ai choisi d'utilisé les imprimantes 3D Pursa. Afin d'utiliser les imprimantes 3D dans les meilleures conditions , n'hésitez pas à regarder la documentation Wiki sur les imprimantes 3D mais également à respecter les règles d'usage du fablab. Pour n'importe quelle impression 3D , il faut utiliser un slicer qui va nous permettre de convertir notre modèle 3D en une série de couches 2D compréhensible par la machine. L'épaisseur des couches ( 0,2 mm) et la densité de remplissage (15%) de l'objet sont les seuls paramètres que j'ai modifié. Après avoir exporter mon modèle en STL pour l'importer dans le PursaSlicer , j'ai pu augmenté l'échelle de mon objet. Le slicer peut rajouter des cadres afin de faciliter l'impression par rapport à l'objet. Dans mon cas , seule une base plane a été utilisé.
Il faut exporter son fichier à partir du PursaSlicer sur une clé USB pour les imprimantes Pursa. N'oubliez pas de noter dans le cahier les informations relatifs à votre impression ( nom,prénom, filament, poids, n° de l'imprimante)
L'imprimante va tout d'abord chauffer avant de se repérer via plusieurs points sur le plateau pour lancer finalement l'impression.
Voici le résultat de l'impression après avoir enlever le socle.
Réalisation du moule en silicone
Qu'est ce que le silicone ? Le silicone est un composé inorganique créé à partir de chaînes d'oxygène et de silicium. Ici , j'ai utilisé le silicone contact alimentaire RTV3428. Il s'agit d' un élastomère silicone bi-composant, réticulant à température ambiante par réaction de polycondensation. Il se présente sous l’aspect d’un liquide visqueux qui se transforme en un matériau élastique après addition d’un catalyseur. La dose est de 100g de base pour 10g de catalyseur.
-
Calculs pour les quantités
Afin de calculer la masse de base et de catalyseur qu'il fallait ajouter, j'ai d'abord calculé le volume de mon récipient et celui de mon objet.
Mon récipient est un rectangle de 3cm de hauteur , de 5cm de largueur et de 10 cm de longueur. Son Volume est donc de 3 x 5 x10 = 150 cm3. J'ai simplifié le volume de mon objet en l'imaginant dans un rectangle de 1,5cm de hauteur , 1,5 cm de largueur et de 5,5cm de longueur. Son Volume est donc de 1,5 x 1,5 x 5,5 = 13 cm3( environ)
Le Volume de silicone est donc de 150-13=137 cm3. Nous avons besoin d'une masse pour ceci nous allons utilisé la formule de la densité et celle de la masse volumique.
| Formule densité | Formule masse volumique | Formule de la masse |
| Densité = masse volumique du silicone / masse volumique de l'eau | masse volumique silicone = masse silicone / volume silicone | masse silicone = densité silicone x Volume silicone x masse volumique de l'eau |
En prenant comme masse volumique pour le silicone 1,1 g / cm3 , nous obtenons une masse de silicone de 150,39g donc environ 150,5g. Voici la dernière série de calcul qui nous permets de distinguer la masse du catalyseur et celle de la base.
150/100 = 1,36 donc 100x 1,36 = 136 g de base et 10 x1,36 = 13,6 g de catalyseur.
Avant de commencer , n'oubliez pas de mettre des gants et de mettre du talc sur l'objet afin de faciliter le démoulage.
Nous avons besoin : de notre récipient pour le moule , de notre objet , du catalyseur , de la base , d'un récipient de mélange ( ici un gobelet en carton ) et d'une spatule pour mélanger ( ici une cuillère en carton).
Nous allons d'abord tarer la balance puis peser la base et enfin le catalyseur. Attention à mélanger le plus délicatement possible afin de ne pas créer des bulles qui peuvent altérer la forme de votre objet dans la polymérisation du moule.
Lorsque le mélange est prêt , il faut verser au 1/4 du récipient , poser ensuite son objet et enfin le recouvrir.
A cause de la densité très faible de l'objet , la fusée remonte à la surface du silicone ce qui rends difficile la polymérisation du moule. Pour pallier à ce déconvenue , nous avons eu l'idée avec une Fabmanageuse de mettre un objet pouvant maintenir la fusée dans le silicone. Nous avons utilisé un tube Eppendorf rempli d'eau avec un support pour le maintenir plus ou moins droit.
Il nous faudra attendre plus de 16h pour voir le résultat de ce premier moulage.
Spectroscopie d'absorption infrarouge
Définition :
La spectroscopie d'absorption infrarouge est une technique d'analyse utilisée pour identifier les molécules en étudiant leurs interaction avec la lumière infrarouge.Lorsque des molécules sont exposées à cette lumière, elles absorbent certaines longueurs d'onde en fonctions des vibrations spécifiques de leurs liaisons chimiques.Ce qui signifie que chaque type de liaisons ( par exemple : C-H , O-H,N-H...) possède des caractéristiques d'absorption spécifique
- Un spectre caractéristique est généré en traçant l'intensité de la lumière absorbée en fonction de la lumière d'onde ou de la fréquence ,les pics dans le spectre correspondent aux longueurs d'ondes ou l'absorption a lieu. Il peut être utilisé pour identifier des groupes fonctionnels et comprendre la structure moléculaire.
- les molécules peuvent vibrer de différents manières, telles que l'étirement ou la flexion des liaisons chimiques .Chaque type de vibration nécessite une certaine quantité d'énergie, qui correspond à des longueurs d'ondes spécifiques de l'infrarouge. Ainsi, les vibrations des liaisons sont responsables des pics d'absorption dans le spectre.
Les liaisons ont plusieurs manières de vibrer , par exemple l’eau a six modes de vibrations différents: symétrique et antisymétriques,déformation avec cisaillement, balancement , torsion et rotation plane :
Chacune des vibrations se produits à une fréquence différente qui est spécifique à la liaison chimique et au composé.Ces fréquences correspondent aux fréquences de la lumière dans la région MIR (moyen infrarouge ) du spectre . - La transmittance est le rapport de l'intensité de la lumière qui traverse l'échantillon à l'intensité de la lumière incidente. L'absorbance, qui est liée a la transmittance par la loi de Beer-Lambert, est une mesure logarithmique de la quantité absorbée par l'échantillon.
Voici un tableau de table de la spectroscopie :
