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Fiche explicative de la leçon : Analyse chimique Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à identifier et à décrire les différents types d’analyse chimique, et à expliquer leur importance pour différents domaines scientifiques.

Dans chaque branche ou domaine de la chimie, il est important d’identifier et de quantifier les substances présentes dans un matériau ou dans un mélange. La substance identifiée et/ou quantifiée est appelée l’analyte.

Définition : Analyte

L’analyte représente la substance qui est étudiée dans un échantillon.

Voici quelques exemples de scientifiques et de professionnels des sciences qui déterminent la composition de différentes substances chimiques:

  • Les médecins, les pharmaciens et les chimistes déterminent les composés qui sont présents dans un médicament et en quelle quantité ou concentration. Les professionnels de la santé analysent également la composition du sang et des fluides corporels afin de pouvoir diagnostiquer différentes maladies. Par exemple, les médecins peuvent analyser la teneur en lipides dans des échantillons sanguins afin de déterminer si un patient est susceptible de développer une maladie cardiovasculaire et s’il doit prendre des médicaments.
  • Les agriculteurs et les spécialistes des sols analysent les propriétés des sols cultivables. Les sols peuvent être différents à bien des égards et les agriculteurs ont besoin de comprendre la composition élémentaire et l’acidité ou la basicité de leurs sols. Ceci les aide à choisir les meilleurs engrais pour leurs champs.
  • Les chimistes alimentaires et les nutritionnistes analysent la composition des aliments afin de déterminer les éléments nutritifs qu’ils contiennent et leurs proportions.
  • Les chimistes environnementaux étudient les composantes de l’environnement, telles que les sols, les gaz et les plans d’eau, afin de déterminer la présence et la proportion de certains polluants. Ils analysent des substances toxiques, telles que le monoxyde de carbone, le dioxyde de soufre et les métaux lourds comme l’arsenic et le mercure, ainsi que la contamination des produits alimentaires par des pesticides et des herbicides.
  • Les ingénieurs mécaniques et les métallurgistes étudient les métaux et les composés chimiques présents dans les minerais et dans les composants des machines. Ceci les aide à améliorer la résistance des machines et le processus d’extraction des métaux.

Exemple 1: Identifier le domaine scientifique qui analyse le taux de glucose dans le corps humain

L’analyse chimique peut être utilisée pour déterminer la quantité de glucose présente chez une personne. Dans quel domaine scientifique cette analyse est-elle importante?

  1. environnemental
  2. agricole
  3. industriel
  4. alimentaire
  5. médical

Réponse

Le taux de glucose dans le corps d’une personne, par exemple le taux de glycémie, est important pour être en bonne santé. L’analyse de la quantité de glucose présente dans le sang est importante dans le domaine médical. La bonne réponse est donc E, soit le domaine médical.

Un échantillon chimique représente une petite quantité facile à manipuler d’un composé plus volumineux. Les échantillons sont toujours prélevés de manière à imiter raisonnablement les matières d’origine qu’ils représentent. L’échantillon et la matière d’origine doivent avoir les mêmes, ou pratiquement les mêmes, propriétés physiques et chimiques.

Définition : Échantillon

Un échantillon est une quantité limitée de matière qui est semblable et qui représente cette matière.

Les échantillons chimiques peuvent être analysés à l’aide de méthodes d’analyse qualitative ou quantitative. Les méthodes d’analyse chimique qualitatives sont utilisées pour déterminer l’identité d’une ou de plusieurs substance(s) dans un échantillon chimique.

Analyse qualitative

Les méthodes d’analyse qualitatives sont utilisées pour identifier les substances présentes dans un échantillon chimique.

L’échantillon est défini comme étant pur lorsqu’il contient une seule substance chimique. Il est défini comme étant un mélange lorsqu’il contient plus d’une substance chimique. La plupart des matières solides, liquides et gazeuses peuvent être considérées comme étant des mélanges, car elles sont composées d’au moins deux substances chimiques différentes. Les méthodes d’analyse qualitatives peuvent être utilisées afin de déterminer quelles substances ont été combinées pour former un mélange. Ces composants peuvent être des éléments tels que l’azote, ou des composés tels que l’eau ou le dioxyde de carbone. De nombreux mélanges réels (comme le sol, l’air ou le sang) sont en fait des mélanges complexes qui contiennent de nombreux éléments et molécules différents.

ÉchantillonComposants
Sel de tableIons Na+ et ions Cl
Air polluéN2, O2, HO2 et CO2, ainsi que de petites quantités d’ Ar, de NO, de NO gazeux, de CO, etc.
SangGlobules rouges, HO2, globules blancs, plaquettes, composants cellulaires, hormones, Na+, Cl, Mg2+, Ca2+, divers autres ions, sucre (CHO6126), CO2, urée, cholestérol et de nombreuses autres substances
OrangesAcide citrique, HO2, sucres (saccharose, fructose et glucose), vitamines E, D, K et C, et de nombreux autres composés, tels que le limonène, l’octanal, le butanoate d’éthyle, le décanal, l’hexanal, le (S)-linalol, des hydrocarbures, des alcools, des aldéhydes et des esters

Les échantillons purs ont un ensemble de propriétés chimiques et physiques uniques qui les distingue des autres substances. Certaines constantes physiques, telles que le point de fusion, le point d’ébullition, la solubilité et la masse molaire, peuvent être utilisées afin de déterminer si une substance connue est pure ou contaminée par des impuretés.

Par exemple, les chimistes peuvent utiliser le point d’ébullition connu des molécules d’eau afin de déterminer si un échantillon d’eau est contaminé par des impuretés. L’eau pure bout à une température de 100C si la pression est exactement égale à une atmosphère (atm). Les échantillons d’eau contaminés entrent en ébullition à une température légèrement plus élevée étant donné qu’ils contiennent des impuretés chimiques. Des échantillons d’eau peuvent être portés à ébullition afin de déterminer s’ils sont purs ou s’ils contiennent des impuretés chimiques.

Les chimistes peuvent également utiliser les valeurs de masse molaire connues des composés organiques afin de déterminer la composition d’un extrait végétal. Les spectromètres de masse fournissent des informations sur les masses molaires de différents analytes. Les informations sur la masse molaire provenant de spectromètres de masse peuvent être comparées avec des données de référence afin de déterminer le contenu d’un extrait végétal.

Le nitrate d’argent peut être utilisé pour confirmer la présence de la plupart des sels d’halogénure, car les ions argent forment un précipité coloré lorsqu’ils réagissent avec les ions chlorure, bromure ou iodure. Le nitrate d’argent forme un précipité blanc lorsqu’il réagit avec les ions chlorure. Il forme un précipité blanc-jaune ou jaune lorsqu’il réagit avec les ions bromure ou iodure. L’équation suivante explique la réaction qui se produit entre les ions chlorure et le nitrate d’argent. Cl()+AgNO()AgCl()+NO()33aqaqsaqIonhalogénureNitratedargentPrécipitéblancIonnitrate

Le tableau et la figure ci-dessous détaillent les réactions observées entre le nitrate d’argent et les ions fluorure, chlorure, bromure et iodure.

Ion présentObservation
FPas de précipité
ClPrécipité blanc
BrPrécipité blanc-jaune
IPrécipité jaune

Les chimistes ont parfois des doutes sur la composition chimique des produits alimentaires et ils peuvent vouloir savoir si ces produits contiennent des molécules d’amidon. Des gouttelettes brunes-jaunes de solution de diiode peuvent être ajoutées aux échantillons alimentaires afin de déterminer s’ils contiennent ou non des molécules d’amidon. Les gouttelettes de diiode laissent des taches bleues-noires sur les produits alimentaires lorsque ceux-ci contiennent de l’amidon. L’image suivante montre comment des gouttelettes de diiode peuvent être utilisées afin de vérifier la présence de molécules d’amidon dans un échantillon de produit alimentaire.

Test d'amidon expérimental

Certains tests réalisés seuls peuvent être non concluants et nous devons généralement effectuer au moins deux tests chimiques différents afin de déterminer l’identité ou la quantité d’une substance dans un échantillon. Les limites des tests chimiques réalisés seuls peuvent être mieux comprises en considérant comment différents métaux peuvent produire des flammes de couleur similaire lors de tests de la flamme.

Le lithium, le calcium et le strontium produisent tous des flammes rouges lors de tests de la flamme. Ces tests de la flamme ne peuvent pas être utilisés seuls pour déterminer si un échantillon contient du lithium étant donné que le calcium et le strontium produisent une couleur de flamme similaire. Le test de la flamme doit être combiné avec un autre type d’analyse chimique afin de confirmer qu’une substance contient bel et bien du lithium et non pas du calcium ou du strontium.

Exemple 2: Identifier l’affirmation qui ne décrit pas une analyse qualitative

Lequel des énoncés suivants ne représente pas un exemple d’analyse chimique qualitative?

  1. L’identification d’un groupe fonctionnel dans une molécule
  2. l’identification des groupes cationiques dans un composé
  3. l’identification des groupes anioniques dans un composé
  4. la détermination de la concentration d’un composé dans une solution
  5. la détermination de la composition élémentaire d’une molécule

Réponse

L’analyse qualitative représente l’identification de la ou des substance(s) constitutive(s) (éléments, ions, composés ou groupes fonctionnels dans un composé) dans un échantillon. Selon cette définition, nous pouvons exclure les choix de réponse A, B, C et E qui font tous référence à l’identification des composants dans un composé. Le choix de réponse D ne représente pas un exemple d’analyse chimique qualitative, mais plutôt un exemple d’analyse chimique quantitative au cours de laquelle la concentration peut être quantifiée. La concentration peut être mesurée et exprimée par différentes unités, telles que les moles par litre. Nous pouvons utiliser ces affirmations pour déterminer que le choix de réponse D est approprié pour répondre à cette question.

Les chimistes analytiques veulent généralement déterminer le contenu et la composition d’une substance chimique. Ils veulent savoir ce qu’une substance contient et dans quelles proportions. Des méthodes d’analyse chimique quantitative peuvent être utilisées afin d’étudier la quantité des éléments et des composés présente dans les échantillons chimiques.

Définition : Analyse quantitative

Des méthodes d’analyse quantitative sont utilisées afin de déterminer la quantité des éléments et des composés présents dans les échantillons chimiques.

La figure suivante illustre quelques unités utilisées afin de décrire la quantité des éléments et des molécules présents dans des échantillons chimiques. Cette figure illustre que ces quantités peuvent être exprimées sous forme de masse et de concentration ou de nombre de moles et de pourcentage.

La balance analytique est utilisée par pratiquement tous les chimistes afin de déterminer la masse des différentes substances chimiques. La plupart des balances analytiques sont des appareils incroyablement précis qui affichent généralement des valeurs de masse à 0,1, 0,01 ou même à 0,001 milligramme (mg) près.

Les méthodes d’analyse quantitative peuvent aider les chimistes à déterminer la quantité d’une substance présente dans un échantillon chimique ainsi que la quantité d’un produit chimique désiré qui sera produite au cours d’une réaction.

Il existe plusieurs façons d’analyser le contenu et la composition d’un échantillon chimique. Le tableau suivant résume certains des tests les plus importants pour analyser des échantillons chimiques.

Nom du testFonctionnementButExemple d’utilisation
Analyse volumétriqueLa quantité d’une substance est déterminée en mesurant
son volume ou en mesurant
le volume d’une deuxième substance
avec laquelle elle réagit
Déterminer la concentration inconnue
d’un réactif connu
Identifier la concentration en contaminants
dans les pluies acides ou les eaux usées
Analyse gravimétriqueDifférentes méthodes peuvent être utilisées pour quantifier
un analyte en fonction de sa masse
Déterminer la quantité d’un analyte
dans une substance chimique
Déterminer la teneur d’un cation
dans un sel de sulfate
Analyse de combustionUn composé pur inconnu réagit
avec du dioxygène et les produits de combustion
sont mesurés
Déterminer la formule empirique et l’abondance
d’un composé organique pur
Déterminer la quantité
d’azote dans la nourriture pour animaux
Test à la flammeLa flamme d’un bec Bunsen change de couleur
en présence de certains ions
Déterminer l’identité d’un élément métalliqueDéterminer si du sodium est présent dans un échantillon de sol
Test pour les gazDifférents tests chimiques peuvent être réalisés pour
déterminer l’identité d’un gaz inconnu
Confirmer la présence ou l’absence
d’éléments et de composés chimiques gazeux
Déterminer si un échantillon contient du dioxyde
de carbone gazeux en le faisant passer à travers de l’eau de chaux
Réactions de précipitationDeux sels solubles réagissent ensemble en solution
pour former un produit insoluble
Identifier la présence d’un composé,
ou d’une partie d’un composé, en fonction de sa capacité à
former un produit insoluble visible
Identifier la présence
d’un halogénure dans un sel

Les mathématiques peuvent être utilisées afin de déterminer l’incertitude associée aux valeurs chimiques mesurées. Les méthodes statistiques montrent que les valeurs mesurées sont plus précises lorsque plusieurs mesures sont réalisées pour une grandeur chimique donnée. En général, les chimistes ne prennent pas qu’une seule mesure d’une grandeur chimique inconnue. Ils mesurent plutôt à plusieurs reprises la même grandeur chimique afin de déterminer une valeur moyenne plus précise. Des comparaisons peuvent également être réalisées avec des données de référence afin de s’assurer qu’une grandeur chimique ait été mesurée avec précision.

Exemple 3: Déterminer si des analyses chimiques sont quantitatives ou qualitatives

Un chimiste trouve une solution saline non identifiée et tente d’en déterminer la composition et les propriétés.

  1. Le chimiste ajoute quelques gouttes de AgNO3 à un échantillon de cette solution saline afin d’observer si un précipité se forme, ce qui indiquerait la présence d’un groupe halogénure. S’agit-il d’une analyse qualitative ou quantitative?
    1. qualitative
    2. quantitative
  2. Le chimiste observe la formation d’un précipité lors de l’ajout de AgNO3. Il filtre, sèche et pèse le précipité, et l’utilise ensuite pour déterminer la masse de sel dans la solution. S’agit-il d’une analyse qualitative ou quantitative?
    1. quantitative
    2. qualitative

Réponse

Partie 1

AgNO3 peut être ajouté à un échantillon afin de confirmer la présence ou l’absence d’un ion halogénure. Aucune mesure n’est réalisée et aucune quantité n’est définie. Il ne s’agit donc pas d’une analyse quantitative. La bonne réponse est donc une analyse qualitative. Nous pouvons utiliser ces affirmations pour déterminer que le choix de réponse A est approprié pour répondre à cette question.

Partie 2

Il s’agit d’une analyse quantitative, car une mesure est réalisée. Nous pouvons utiliser cette affirmation pour déterminer que le choix de réponse A est approprié pour répondre à cette question.

Exemple 4: Comprendre la différence entre l’analyse qualitative et l’analyse quantitative

L’analyse chimique peut être divisée en deux types, soit l’analyse qualitative et l’analyse quantitative. Laquelle de ces affirmations décrit le mieux la différence entre ces deux types d’analyse?

  1. L’analyse qualitative vise à identifier la composition d’une substance, tandis que l’analyse quantitative vise à déterminer sa masse, le pourcentage de composition ou sa concentration.
  2. L’analyse qualitative peut être utilisée pour identifier le cation dans un composé, tandis que l’analyse quantitative peut être utilisée pour identifier l’anion dans un composé.
  3. L’analyse qualitative est utilisée lorsque l’échantillon est un solide, tandis que l’analyse quantitative est utilisée lorsque l’échantillon est en solution aqueuse.
  4. L’analyse qualitative vise à identifier les propriétés chimiques d’une substance, tandis que l’analyse quantitative vise à identifier ses propriétés physiques.
  5. L’analyse qualitative vise à déterminer la masse, la composition en pourcentage ou la concentration d’une substance, tandis que l’analyse quantitative vise à identifier sa composition.

Réponse

L’analyse qualitative représente l’identification de la ou des substance(s) constitutive(s) (éléments, ions, composés ou groupes fonctionnels dans un composé organique) dans un échantillon, tandis que l’analyse quantitative représente la détermination de la quantité ou de la concentration de chaque composant présent dans un échantillon. Le choix de réponse A, qui stipule que « l’analyse qualitative vise à identifier la composition d’une substance, tandis que l’analyse quantitative vise à déterminer sa masse, son pourcentage de composition ou sa concentration », est exact.

Points clés

  • L’analyte représente la substance qui est étudiée dans l’échantillon.
  • Un échantillon représente une petite quantité facile à manipuler d’un composé étudié plus volumineux. Les échantillons ont les mêmes propriétés physiques et chimiques que la matière d’origine.
  • Les échantillons purs ont un ensemble de propriétés chimiques et physiques uniques qui les distingue des autres substances.
  • L’analyse chimique est utile dans de nombreux domaines, y compris le domaine médical, l’agriculture, l’industrie alimentaire, les études environnementales et l’ingénierie.
  • Les méthodes d’analyse qualitatives sont utilisées pour confirmer la présence ou l’absence d’une substance dans un échantillon chimique.
  • Les méthodes d’analyse quantitatives sont utilisées pour déterminer la quantité des éléments et des composés dans les échantillons chimiques.

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