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TD Chromatographie en phase gazeuse de L3 (correction)

TD Chromatographie en phase gazeuse. L3 Chimie Physique. Enseignant : Y. FRANCOIS. Exercice 1. Deux espèces chimiques, A et B sont séparées par ...




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TD Chromatographie en phase gazeuse
L3 Chimie Physique

Enseignant : Y. FRANCOIS
Exercice 1
Deux espèces chimiques, A et B sont séparées par chromatographie gazeuse isotherme, à l’aide d’une colonne de 2,00 m ayant 5000 plateaux théoriques au débit de 15,0 ml/min.
Le pic de l’air non absorbé apparaît au bout de 30 s ; le pic de A apparaît au bout de 5 min et celui de B au bout de 12 min.
Calculer le volume mort VM de la colonne, et les volumes de rétention VA et VB ?
Calculer les volumes réduits V’A et V B ?
Calculer les coefficients de rétention k A et k B ?
Quelles sont les largeurs à la base des pics A et B ?
Quelle est la valeur de H pour cette colonne ?
Déterminer la valeur de la sélectivité ± de cette séparation ?
Calculer la résolution R de la séparation ?
Commenter brièvement les valeurs de k’ et de R ?
Correction 1
Formule Vi = ti . D
VM = 0,5.15 = 7,5 ml, VA = 5.15 = 75 ml, VB = 12.15 = 180 ml
Formule V’i = t’i . D soit V’i = Vi – VM
t’A = 5 – 0,5 = 4,5 min, t’B = 12 – 0,5 = 11,5 min
V’A = 4,5.15 = 67,5 ml et V’B = 11,5.15 = 172,5 ml
Ou V’A = 75 – 7,5 = 67,5 ml et V’B = 180 – 7,5 = 172,5 ml
(c) Formule tR = tM(k’+1) ou k’ = t’R/tM
k’A = 4,5/0,5 = 9 et k’B = 23
(d) Formule N = 16 (tR/É)2 donc É = 4 . tR/"N
ÉA = 4 . 300/"5000 = 17,0 sec et ÉB = 4 . 720/"5000 = 40,8 sec
(e) Formule H = L/N
H = 200/5000 = 0,04 cm/plateau
(f) Formule ± = t B/t A = k B/k A
± = 11,5/4,5 = 23/9 = 2,56
(e) Formule R = 2 (tB  tA)/(ÉB+ÉA)
R = 2 (720 – 300)/(40,8+17,0) = 14,5
(h) Pour k’ les valeurs sont élevées. Composés retenus donc temps de rétention long et surement élargissement des pics.
Valeur de R très importante. La résolution de la séparation est très bonne, mais le compromis entre le temps de rétention et la résolution n’est surement pas optimisé. Il est préférable de baisser le temps d’analyse et de perdre un peu en résolution.
Exercice 2
Un mélange de six iodures d’alkyle est séparé par chromatographie gazeuse à l’aide d’une colonne remplie de poudre de brique réfractaire enrobée d huile de silicone (longueur L = 365 cm). La colonne est chauffée de telle sorte que sa température croisse linéairement durant toute l opération. Le tableau donne les résultats relevés.
PicIdentitétR (min)É (min)Température (°C)Surface (cm2)1AirtM = 0,5Petite55Petite2CH3I6,600,5510013,03C2H5I9,821,0012712,04Iso-C3H7I11,901,0413910,05n-C3H7I13,041,081487,26CH2I219,101,601932,0
(a) Calculer la résolution entre les pics 2-3, 3-4, 4-5, 5-6 ?
(b) la séparation vous convient elle ?
(c) Quelle longueur de colonne aurait il fallu pour que la résolution des pics 4 et 5 ait été de R’ = 1,5 ?
Correction 2
(a) Formule R = 2 (tB – tA)/(ÉB+ÉA)
R2-3 = 2 (9,82-6,6)/(0,55+1) = 4,15
R3-4 = 2 (11,9-9,82)/(1+1,04) = 2,04
R4-5 = 2 (13,04-11,9)/(1,04+1,08) = 1,08
R5-6 = 2 (19,1-13,04)/(1,6+1,08) = 4,52
(b) Les pics 4 et 5 sont mal résolus.
(c) Comme R est proportionnel à "L, alors, R /R = "(L /L)
Ainsi, (1,5/1,08) = "(L /365) L = 365.(1,5/1,08)2 = 704 cm







Exercice 3
Le chromatogramme suivant a été obtenu pour un mélange de chaînes droites d hydrocarbures : CnH2n+2. Le pic M est dû à un corps non absorbé ; le pic A est celui de C3H8 ; le pic F est celui de C20H42. La colonne mesure 120 cm de longueur et est utilisée à température constante avec un débit de gaz de 50,0 cm3/min. On trouve les données concernant les temps de rétention et la largeur des pics dans le tableau 12-2.


(a) Trouver le nombre de plateaux théoriques NA en se basant sur le pic A ?
(b) Calculer la résolution entre les pics B-C, D-E ?
(c) Quelle longueur de colonne aurait il fallu pour que la résolution des pics B et C ait été de R’ = 1,5 ?
(d) En déduire la nouvelle résolution des pics D et E ?
(e) Déterminer le tR de F sur une colonne de longueur déterminée au (d) et conclure ?
Correction 3
(a) Formule N = 16 (tR/É)2
NA =16 (60/9)2 = 711 plateaux
(b) Formule R = 2 (tB  tA)/(ÉB+ÉA)
RB-C = 2 (110-100)/(15+16,5) = 0,63 mal résolus.
RD-E = 2 (165-140)/(21+24,75) = 1,09 mal résolus.
(c) Comme R est proportionnel à "L, alors, R /R = "(L /L)
Ainsi, (1,5/0,63) = "(L /120) L = 120.(1,5/0,63)2 = 680 cm
(d) On peut déduire RD-E avec une colonne de 680 cm
Ainsi, (R /1,09) = "(680/120) R = 2,6
(f) On a tR = 235 sec = 3,9 min sur une colonne de 120 cm
Ainsi, sur une colonne de 680 cm, tR = 235.(680/120) = 1331,7 sec tR = 22,2 min
Trop long donc peut être changée la nature de la colonne.

Exercice 4
Un mélange d’alkyles de bromes est séparé par CPG. Les paramètres de la colonne sont : L = 150 cm, T = 140°C, gaz vecteur He, débit = 20 cm3/min, détection FID. Le chromatogramme a été obtenu avec un mélange de composition inconnue, néanmoins, on sait que le pic F est dû à du n-C5H11Br. Le tableau résume les données pour les différents pics.

(a) Quelle peut être la longueur de la colonne minimale pour que les pics D et E puissent être résolus avec moins de 1% de recouvrement ?
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(c) Commenter la valeur de NC ?
Correction 4
(a) Formule R = 2 (tB  tA)/(ÉB+ÉA)
RD-E = 2 (1222-1029)/(68,6+81,5) = 2,57
Or R est proportionnel à "L et une séparation avec un recouvrement de 1 % correspond à une R = 1,5 
Alors, (1,5/2,57) = "(L/150) L = 51 cm
(b) Formule N = 16 (tR/É)2
NB = 16(177/11,8)2 = 3600 plateaux et Nc = 3030 ; ND = 3600 ; NE = 3600 ; NF = 3600
(c) Le pic C a la plus petite valeur de N. Il est probable qu il corresponde à un mélange non séparé de deux alkyles de brome ou plus (un pic non résolu doit avoir une valeur plus grande de É et un N plus faible).

Exercice 5
Le méthyl 2,5-dihydro-2,5-diméthoxy-2-furancarboxylate est le produit d'électrolyse du méthyl-2-furoate dans le méthanol. Dans le cadre d'une étude de cette réaction, on veut identifier les signaux chromatographiques correspondant à ces composés. Une solution contenant ces deux produits commerciaux est analysée par chromatographie en phase gazeuse, dans une colonne Carbowax (polyethylenglycol). Les chromatogrammes suivant correspondent à différents programmes de température.


T0 = 100°C/1min ; 8°C/min ; T1 = 200°C/3min


T0 = 100°C/1min ; 15°C/min ; T1 = 200°C/3min


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Formule :


Méthanol : CH3OH
Méthyl-2-furoate :

Méthyl 2,5-dihydro-2,5-diméthoxy-2-furancarboxylate (mélange cis et trans) :


(a) Identifier les principaux pics
(b) Pour chaque chromatogramme, calculer les temps de rétentions réduits de chaque composé, ainsi que les facteurs de sélectivité entre B et C et entre C et D.
c) Expliquer l'influence de la rampe de température sur la séparation.

Correction 5
(a) A: méthanol, B: méthyl-2-furoate, C et D: méthyl 2,5-dihydro-2,5-dimethoxy-2- furanecarboxylate (2 configurations spatiales possibles)

(b) 



(c) Plus la rampe est lente, plus la séparation est bonne ???


É (s)

É (s)

C D

B

A