[[wiki:projets:polarimetre| Page d'accueil]]
====== POLARIMÈTRE : CHIMIE ======
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===== La polarimétrie au service de la chimie : =====
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**(Avant de lire ce rapport, il serait bon de revoir ses bases de polarimétrie en lisant préalablement une Introduction à la Polarimétrie ! [[wiki:projets:polarimetre-introduction-polarimetrie|POLARIMÈTRE : Introduction à la polarimétrie]])**//
On met une solution ayant un pouvoir rotatoire dans une **cuve en quartz traité** (afin d'éviter une altération du faisceau lumineux en le polarisant) puis on éclaire cette cuve à l'aide d'une **source lumineuse**, à savoir une lampe à vapeur de sodium couplée avec une lentille, ou mieux, l'éclairage se fera à l'aide d'un **laser rouge (comme c'est le cas dans notre polarimètre)** . La lumière utilisée possède une certaine **longueur d'onde** ainsi qu'un certain **vecteur directeur en fonction duquel la lumière se propage**. En passant à travers la cuve (et donc à travers la solution), si le contenu possède un **pouvoir rotatoire** alors le vecteur du rayon lumineux tournera d'un **angle α** vers la droite (si les molécules sont R) ou vers la gauche (si les molécules sont S).
Le principe d'un polarimètre est de mesurer cet angle α. Pour cela, on aligne une **photodiode** au montage initial qui aura pour rôle de transcrire le signal lumineux en signal électrique afin de le transmette à **l'analyseur**. (Pour plus de précisions : **[[wiki:projets:polarimetre-physique|POLARIMETRE : Physique]]**)
__En conclusion:__ un polarimètre permet d’identifier la nature de certaines molécules voir de certains mélanges, en effet un mélange peut avoir un pouvoir rotatoire (R ou S) comme n'avoir **aucun pouvoir** (à ce moment là, le vecteur du faisceau lumineux ne tournera pas).
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===== Les différentes cuves possibles pour un polarimètre: =====
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{{ :wiki:projets:polari_chimie3.png? 300 |}}
On peut voir d'après les photos que l'on doit absolument utiliser une cuve en quartz car la cuve en plastique polarise la lumière même si celle-ci est vide. Donc on ne pourra l'utiliser pour l'étalonnage ou les mesures.
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==== MOLÉCULES R ou S: ====
Cette notion est explicitée en chimie organique (source: __prépa PCSI, premier chapitre de chimie organique__). Une molécule ayant un **carbone asymétrique** (un carbone lié à 4 **ramifications différentes**) peut se représenter en 3 dimensions (selon la méthode de **VSEPR** pour les **molécules tétraédriques**).
Dès lors qu'il est possible de représenter ce carbone dans l'espace on représente ses ramifications de 3 façons possibles:
* **dans le plan** -> la liaison sera en trait plein.
* vers **l'arrière du plan** -> la liaison sera représenter hachurée.
* vers **l'avant du plan** -> la liaison sera sous forme d'un triangle plein.
Ainsi on s’aperçoit qu'il existe plusieurs représentations possibles pour un seul carbone asymétrique, en effet comme ce carbone est lié à 4 ramifications différentes, comme leurs liaisons peuvent avoir plusieurs représentations différentes, cela augmente de manière significative les différentes formes possibles d'une même molécule.
Lorsque l'on compare les caractéristiques propres de 2 molécules différentes on s'aperçoit qu'elles diffèrent très largement. Or on observe ce même phénomène avec 2 molécules ne différant que de la représentation d'une seule de leurs liaisons.
Le meilleur exemple reste celui du limonène, on retrouve cette molécule dans les agrumes, prenons pour exemple le citron ou l'on retrouve le **__limonène "+"__** alors que pour l'orange on trouve le **__limonène "-"__**.
Pour déterminer si le carbone asymétrique d'une molécule est __"R"__ ou __"S"__, il faut le représenter dans le plan, numéroter ses liaisons de 1 à 4 en suivant l'ordre de priorité des atomes. Enfin on regarde si l'on passe de 1,2,3,4 en tournant le sens horaire (molécule "R") ou si l'on tourne dans le sens antihoraire (molécule "S").
=== ATTENTION ===
Cependant: si la 4ème ramification est représentée vers l'avant du plan alors il faudra inverser le sens déterminer.
Ci dessous, une représentation de Lewis du limonène "-" et du limonène "+" :
{{:wiki:projets:220px-limonene_struttura.png?200|}}
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===== Pouvoir rotatoire d'une solution: =====
Le principe d'un polarimètre est donc de mesuré l'activité optique d'une solution, c'est à dire de quantifier sa capacité à faire tourner d'un certain angle α le vecteur du faisceau lumineux traversant cette solution.
Comme expliquer dans la partie précédente, un mélange possède un pouvoir rotatoire qui lui-même est conférer par les molécules composant ce mélange.
__Commençons par une cas simple:__ Prenons une solution contenant uniquement des molécules de __**limonène "-"**__, lorsque le faisceau traversera la solution contenue dans la cuve, son vecteur lumineux tournera d'un certain angle, **vers la droite (dextrogyre)** ou vers la **gauche (lévogyre)**. En fonction du sens ou le vecteur tournera la molécule sera alors qualifier naturellement de **molécule lévogyre** (__sens antihoraire__) ou de **molécule dextrogyre** (__sens horaire__).
__Abordons maintenant le cas complexe du pouvoir rotatoire:__ Un mélange est par définition une mise en commun de solutions différentes, il est donc normal d'avoir des solutions possédant **plusieurs molécules différentes**.
* Dans le cas ou un mélange ne possède qu'un seul type de molécule ayant un pouvoir rotatoire (par exemple: un mélange de **limonène "+"** et d'**éthanol** -> ce dernier ayant un pouvoir rotatoire nul, __**cf:**__ définition d'un carbone asymétrique et donc d'une molécule possédant un pouvoir rotatoire).Dans ce cas le pouvoir rotatoire du limonène "+" devient le pouvoir rotatoire de la solution.
* Dans le cas ou un mélange possède **plusieurs molécules différentes ayant des pouvoirs rotatoires différents**. Alors dans ce cas les pouvoirs rotatoires s'additionne pour donner le pouvoir rotatoire final de la solution.
__**Conséquence de cette règle chimique:**__ cela explique le fait que certains mélanges de molécules possédant des pouvoirs rotatoires aient un pouvoir rotatoire final nul. En effet en prenant l'exemple d'un mélange de limonène "+" et de limonène "-", on s'aperçoit que l'une des molécule est lévogyre et que l'autre est dextrogyre, de plus l'une d'elle a un pouvoir rotatoire α alors que l'autre a un pouvoir __**-**__α. Donc mathématiquement **les angles de rotation s'annulent**. il en résulte que la solution possède un **pouvoir rotatoire nul**.
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===== La loi de Biot: =====
Intéressons nous maintenant à la loi de Biot. En effet cette loi qui est un simple calcul nous permet de calculer l'angle de rotation du faisceau lumineux ayant traversé la solution étudiée. On peut dire que c'est à partir de cette loi que l'on peut voir une influence sur l'angle du vecteur lumineux en fonction de la concentration massique de l'échantillon, de la longueur d'onde du laser et de l'épaisseur de la cuve.
Voici la loi de Biot :
===== α=[α].l.cm =====
Où :
* **α** est tout simplement le pouvoir rotatoire de la solution en **degrés** (mesure de l'angle).
* **[α]** est le pouvoir rotatoire spécifique, il dépend de la température de la solution, de la longueur d'onde du faisceau lumineux et du solvant de la solution.
* **l** est l'epaisseur de solution traverser par le laser en __**décimètre**__.
* **cm** est la concentration massique de la solution en __**gramme par millilitre**__
//(Attention à ne pas la confondre avec la loi de __Biot et Savart__ qui, elle, donne le champ magnétique quand on a un circuit fermé (ou qu'on peut considéré comme fermé).).//
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===== Étalonnage d'un polarimètre: =====
Il est important d'étalonner un polarimètre avant son utilisation afin d'obtenir une valeur de référence. pour cela, on place une cuve de quartz vide dans le polarimètre. En effet lorsque le faisceau lumineux passera à travers le quartz, son vecteur ne sera pas dévié, car le quartz de ces cuves à la propriété de ne pas dévié les vecteurs lumineux.
Lorsque le faisceau lumineux passera à travers la cuve en quartz pleine, le vecteur du faisceau sera dévié d'un angle ∝. Cet angle sera obtenu en comparant l'angle de référence (180°) avec l'angle de déviation.
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==== Echantillon de limonène -: ====
Le laboratoire chimie nous a fourni un échantillon de **limonène -**, présent dans l'orange, pour pouvoir tester notre futur appareil. En effet afin de s'assurer de la précision de notre polarimètre et de sa fiabilité, il nous faut pouvoir le tester avec un échantillon pur afin de comparer la valeur de l'angle α mesurée avec la valeur de l'angle α théorique (qui se trouve facilement sur internet ou dans des tables de mesures).
L'échantillon que nous avons à notre disposition est supposé pur ; il est donc aisé de calculer sa concentration. En effet d'après la loi de Biot, si nous avons à notre disposition une solution pur d'un énantiomère, il nous suffit de remplacer la concentration de la formule par la concentration de la solution étudiée, car la longueur de la cuve et les autres données sont connues.
Pour déterminer la concentration de la solution de limonène -, nous utiliserons la formule __**C=n/V**__ avec:
* __C:__ la concentration cherchée.
* __n:__ la quantité de matière de notre énantiomère.
* __V:__ le volume de notre solution.
De plus pour calculer n, nous utiliserons la formule __**n=m/M**__ avec:
* __n:__ la quantité de matière de l'énantiomère.
* __m:__ la masse de notre solution.
* __M:__ la masse molaire de l'énantiomère.
Ainsi en combinant les 2 formules on obtient: **C=m/(V*M)** en effet il nous est possible de mesurer la masse m et le volume V de notre échantillon et la masse molaire est facilement calculable grâce au tableau périodique de Mendeleiv, car on a admis que la solution était pure.
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==== Application numérique: ====
Calcul de la concentration de limonène :
* n=m/M
* -> n=ρ*V/M
* -> n=ρeau*d*V/M
* -> n= 1*841.1*0.001/136.24
**__A.N:__** * n= **6.17 moles**
* [C]=n/V=6.17/1= **6.17 mol/L**
* n= quantité de matière
* m= masse de l'echantillon
* ρ= masse volumique du limonène
* d= densité du limonène
* M= masse molaire du limonène = 136,24g/mol
* ρeau= masse volumique de l'eau
Le résultat que nous trouvons est légèrement différent de celui fourni par la laboratoire. Cela s'explique par le fait que la solution de limonène - n'est pure qu'à 98%. Cependant nous noterons que la valeur calculée reste très proche de celle que l'on devrait obtenir c'est donc que le calcul est correct et que cette incertitude vient du fait que nous ayons considéré la solution comme pure.
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==== Dilutions: ====
Notons que nous disposons désormais d'un échantillon de **limonène -** pure à 98%. En effet sa concentration réelle est __**[C]= 6.07 mol/L**__. Afin de tester l'efficacité de notre polarimètre nous allons réaliser **__3 dilutions__** grâce à notre solution de base. En effet d'après la __Loi de Biot__, l'angle de rotation du vecteur du faisceau lumineux varie en fonction de la concentration (en effet toutes les autres variables seront considéré constantes car elles ne changeront pas d'un test à l'autre).
Nous placerons chacune des solution (la solution pure à 98% inclue) sur le plateau à cuves, allant de la plus concentrée à la moins concentrée. Ainsi on devrait observer un angle **__α variant de manière décroissante__**.
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==== Calcul des dilutions du limonène -: ====
Notre echantillon de limonène "-" est trop concentré pour notre polarimètre , c'est pour cela que nous allons réaliser 3 dilutions différentes . Nous prélèverons 1 ml de limonène "-" pour chaques dilution dans lequelles nous rajouterons différentes quantités d'eau. Pour la première dilution nous allons ajouter 10ml d'eau au 1ml de limonène"-" , pour la deuxième dilution nous rajouterons 20ml d'eau...
==== Calcul de la concentration pour la première dilution: ====
Ca*Va=Cb*Vb => Cb=Ca*Va/Vb= 6,17*1/10= 0,617 mol/L
==== Calcul de la concentration pour la deuxième dilution: ====
Cb=Ca*Va/Vb = 6,17/20= 0,306 mol/L
==== Calcul de la concentration pour la troisième dilution: ====
Cb=Ca*Va/Vb = 6,17/30= 0,20mol/L
Avec **Ca** la concentration du limonène -, **Va** le volume prélevé (1ml), **Cb** la concentration cherchée et **Vb** le volume de l'eau.
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==== L-proline: ====
On a décidé de travailler avec la L-proline (cf:
[[http://wiki.pmclab.fr/doku.php?id=wiki:projets:polarimetre-problèmes| Problèmes rencontrés pendant la réalisation et solutions apportées (tous les membres)]] ). En effet grâce à l'aide de madame __** Pellerin**__ (laborantine du 1er étage de chimie au bâtiment D) nous nous sommes aperçu que le limonène - n'est pas soluble dans l'eau ce qui rend impossible l'utilisation de l'H2O comme solvant mais plutôt des solvants plus volatiles tel que l'hexane. Cependant par commodité nous préférons utiliser l'eau comme solvant ce qui nous a pousser à changer de solution test.
La L-proline est un acide aminé et est un précurseur de l'hydroxylysine, un composant important du collagène.
Nous sommes donc partis au laboratoire de chimie (Bat.F étage 4) récupérer la L-proline et grâce à l'aide apporter par monsieur **__Raynaud__** et madame **__Pilo__**, nous avons pu prélever et peser différentes masses pour obtenir des solutions de différentes concentrations.
{{:wiki:projets:polari_-_dissolution_eau_foireuse.jpg?200 |}}
Cette photo montre qu'il est impossible de diluer du limonène - avec l'eau comme solvant. En effet le cycle aromatique du limonène - est très hydrophobe, en pratique cela reviendrait à essayer de diluer de l'huile dans de l'eau.
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==== Les dilutions de L-proline: ====
Notons aussi que l'acide aminé non hydraté était pur à 99%.
soit:
* M (L-proline) = 115,13 g/mol
* V = 10mL le volume totale de solution
on utilise toujours la formule:
**C=m/(M*V)**
* solution 1: m1 = 0,30g ce qui donne **C1 = 2,6 mol/L**
{{ :wiki:projets:polari_l-pro_0.3.jpg?200 |}}
* solution 2: m2 = 0,20g ce qui donne **C2 = 1,74 mol/L**
{{ :wiki:projets:polari_l-pro_0.2.jpg?200 |}}
* solution 3: m3 = 0,10g ce qui donne **C3 = 0,87 mol/L**
{{ :wiki:projets:polari_l-pro_0.1.jpg?200 |}}
__Notons qu'en faisant varier la masse on fera de toute façon varier la concentration car on utilise un solide et non un liquide.__
__**Incertitudes:**__
* balance: +/- 0,01 g
* fiole jaugée: +/- 0,1 mL
{{ :wiki:projets:polari_-l-proline.jpg?200 |}}
ici nous avons donc notre L-proline non diluée.
{{ :wiki:projets:polari_l-pro_ensemble_echantillons.jpg?200 |}}
On distingue sur cette photo nos 3 solutions diluées (étiquettes blanches), notre solution de limonène - non diluée ainsi que du L-proline non dissout (à l'état solide).
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==== Prévision des angles α: ====
Le pouvoir rotatoire spécifique est la seule valeur que nous ne pouvons pas déterminer par calcul. Il s'agit du pouvoir rotatoire d'un solution pour 1mol. Pour déterminer nos angles α il nous faut donc le pouvoir rotatoire spécifique de l'acide aminé: L-proline.
http://books.google.fr/books?id=qBHikj6nLwIC&pg=PA96&lpg=PA96&dq=pouvoir+rotatoire+sp%C3%A9cifique+L-proline&source=bl&ots=tLT94TZx0L&sig=eiYfMW2ADVECIkRT4V6uduBhZk4&hl=fr&sa=X&ei=rCBJU-WpM4eo0AWO14C4Aw&ved=0CDcQ6AEwAQ#v=onepage&q=pouvoir%20rotatoire%20sp%C3%A9cifique%20L-proline&f=false
Ce site nous donne la valeur de ce pouvoir rotatoire spécifique, il est de: **__[α] = -86,3 SI__** __**(on note SI l'unité du pouvoir rotatoire spécifique pour simplifier, en réalité [α] s'exprime en degré/mL/g/dm)**__
Il nous est maintenant possible de calculer les angles de rotation **__αi__** pour i={1,2,3}:
α=[α].l.cm
* __Solution 1:__
* [α] = -86,3 SI
* cm1 = 0.30/10 g/ml
* l = 0,08 dm
* a1 = -86,3*0,08*0,03 = **-0,207 deg**
* __Solution 2:__
* [α] = -86,3 SI
* cm2 = 0.20/10 g/ml
* l = 0,08 dm
* a2 = -86,3*0,08*0,02 = **-0,138 deg**
* __Solution 3:__
* [α] = -86,3 SI
* cm3 = 0.10/10 g/ml
* l = 0,08 dm
* a3 = -86,3*0,08*0,01 = **-0,069 deg**
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==== Nouveau problème de solution: ====
D'après les calculs précédent nos angles prévus sont beaucoup trop petits pour être détectables par notre polarimètre, nous avons donc chercher une espèce qui dispose d'une très forte solubilité dans l'eau.
En effet, plus la solubilité d'une espèce est grande, plus ont pourra diluer une grosse quantité dans l'eau, plus la quantité diluer sera élever plus la masse diluer sera élever, plus la masse diluer est élever, plus la concentration massique sera élever (car **__Cm=masse/volume__**) ce qui aura pour conséquence de donner un angle supérieur d'après la loi de Biot.
Suite à nos recherches il sembleraient que le **__alpha-D-glucose__** soit l’espèce dont nous aurions besoin.
Solutions d'**__alpha-D-glucose__**:
{{:wiki:projets:dsc00339.jpg|}}
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==== Nouvelles prévisions d'angles: ====
soit: α = [α]*l*Cm la loi de Biot, avec:
* [α] = 122.2 degrés/mL/dm/g
* l = 0.11 dm
* Cm en g/mL
On a donc pour 4 masses de alpha-D-glucose différentes:
__solution 1:__
* Cm1 = 0.9 g/mL
* **α1 = 12.1 degrés**
__solution 2:__
* Cm2 = 0.7 g/mL
* **α2 = 9.4 degrés**
__solution 3:__
* Cm3 = 0.5 g/mL
* **α3 = 6.7 degrés**
__solution 4:__
* Cm4 = 0.3 g/mL
* **α4 = 4.03 degrés**
Le calcul littéral est le même que pour les solutions de L-proline, il n'y a que pour l'application numérique que change la longueur l (la première n'étant qu'un approximation), la concentration massique (plus grands que pour les solutions de L-proline) et le pouvoir rotatoire spécifique ([α] = 122.2 degrés/mL/dm/g).
On constate que ces angles sont beaucoup plus grands et donc détectables. On notera également que la longueur réelle de la cuve n'est pas de 0.08 décimètres mais de 0.11 décimètres.
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