- Cet article est consacré à la spectroscopie de masse des éléments.
- Tout d'abord, nous allons définir la spectrométrie de masse.
- Ensuite, nous parlerons de la spectroscopie de masse atomique et du spectre de masse.
- Ensuite, nous apprendrons à calculer la masse atomique relative d'un élément à partir des informations fournies par la spectroscopie de masse.
- Nous examinerons également les graphiques de certains éléments et des exemples de questions d'examen.
Définir la spectrométrie de masse
Commençons par définir la spectrométrie de masse.
La spectrométrie demasse (ou spectroscopie de masse) est une méthode utilisée pour déterminer la masse atomique des atomes/molécules d'un échantillon en ionisant une espèce chimique et en triant les ions en fonction de leur rapport masse/charge.
La plupart des spectromètres de masse utilisent une technique appelée ionisation par impact électronique (EI). Cette technique utilise un faisceau d'électrons pour enlever un électron (ou des électrons) d'une molécule, formant ainsi un cation radical . Ce cation radical est également appelé ion parent ou ion moléculaire.
Un cation radical possède à la fois une charge positive et un électron non partagé.
Tu es curieux de savoir comment fonctionne un spectromètre de masse? Jetons un coup d'œil !
Supposons que tu aies un échantillon de méthane (CH4). Tout d'abord, l'échantillon de gaz sera inséré dans le spectromètre. Ensuite, des électrons sont projetés sur les molécules de gaz, qui pourraient se briser en fragments et créer des cations radicaux. Ces particules chargées se déplacent vers un détecteur d'ions après avoir été déviées par un champ magnétique puissant qui sépare les ions en fonction de leur rapport masse/charge (m/z).
À mesure que le champ magnétique augmente, les ions des isotopes plus lourds se déplacent vers le détecteur d'ions. Ce détecteur d'ions est relié à un ordinateur, qui affiche le spectre de masse de l'échantillon. Le détecteur d'ions peut détecter leur rapport masse/charge (qui est leur masse atomique) et le nombre d'atomes qui arrivent au détecteur pour chaque valeur m/z.
Savais-tu que la spectroscopie de masse a d'autres utilisations que la détermination des masses atomiques ? Par exemple, elle est également utilisée pour détecter l'utilisation de stéroïdes par les athlètes et pour surveiller la respiration des patients sous anesthésie !
Spectroscopie de masse atomique
Lorsque l'ordinateur lit les données recueillies par le détecteur d'ions, il crée un spectre de masse qui nous indique le nombre de composants dans l'échantillon, la masse moléculaire relative de chaque composant et leur abondance relative.
Un spectre de masse est un graphique montrant l'intensité du signal du détecteur en fonction de la masse atomique de l'ion.
Examinons le spectre de masse du cuivre naturel. Ce spectre de masse nous montre l'existence de deux isotopes du cuivre. Plus précisément, il nous indique les abondances fractionnelles des deux isotopes. Ainsi, en regardant le spectre de masse, nous pouvons dire que le cuivre élémentaire est composé de 69,17 % de 63Cuet de 30,83 % de 65Cu.
Fig. 2 : Spectre de masse du cuivre (Cu), StudySmarter Originals.
Dans le graphique du spectre de masse, m/z peut également être écrit comme masse atomique (amu) par charge ou rapport masse/charge.
Si tu ne sais toujours pas où tu en es, ne stresse pas ! Nous allons examiner d'autres exemples impliquant des graphiques de spectre de masse dans un instant.
D'après tes connaissances sur la spectrométrie de masse, laquelle des affirmations suivantes est vraie ?
a) Les données obtenues par spectrométrie de masse nous indiquent les états d'oxydation courants des éléments.
b) La spectrométrie de masse montre les tendances de la taille atomique dans le tableau périodique.
c) La spectrométrie de masse confirme l'existence des isotopes.
La bonne réponse est C. La spectrométrie de masse est utilisée pour déterminer la masse des atomes individuels d'un élément.
Équation de la spectrométrie de masse
La spectrométrie de masse explique la relation entre le spectre de masse d'un élément et les masses des isotopes de cet élément. N'oublie pas que les éléments sont présents dans la nature sous forme de mélanges d'isotopes.
Lesisotopes sont des atomes du même élément ayant le même nombre de protons (numéro atomique) mais des numéros de masse différents (nombre différent de neutrons).
Nous pouvons utiliser les informations fournies par la spectroscopie de masse pour calculer la masse atomique relative d'un élément, à l'aide de l'équation ci-dessous :
$$A_{r}=\frac{\Sigma (masse de l'isotope\cdot isotope\abundance)}{100}$$.
Examinons le spectre de masse du néon. Tu remarqueras qu'il présente trois pics, ou trois isotopes du néon : 20Ne(90,9 % d'abondance), 21Ne(0,3 % d'abondance) et 22Ne(8,8 % d'abondance).
Fig. 3 : Spectre de masse du néon (Ne), StudySmarter Original.
Nous pouvons utiliser l'équation ci-dessus pour trouver la masse atomique relative du néon.
$$A_{r}=\frac{\Sigma (masse de l'isotope\cdot isotope\abundance)}{100}$$.
$$A_{r}=\frac{(20\cdot 90,9)+(21\cdot 0,3)+(22\cdot 8,8)}{100}=20,2$$.
Savais-tu que la spectrométrie de masse peut également être utilisée pour identifier les composés organiques en chimie organique ? Au cours du processus de spectrométrie de masse, l'échantillon est bombardé par des électrons de haute énergie, ce qui provoque la fragmentation du composé. Dans ce genre de problème, le spectre de masse est un peu différent. L'ion moléculaire provoque le pic au rapport m/z le plus élevé. Ce pic est connu sous le nom de pic parent, et il nous indique la masse moléculaire relative de l'échantillon !
Par exemple, le spectre de masse du propanone (CH3COCH3) présente un pic parent au rapport masse/charge de 58.
Fig. 4 : Spectre de masse du propanone, StudySmarter Original.
Spectroscopie de masse : Graphiques des éléments
Avant d'examiner quelques exemples de questions liées à la spectrométrie de masse que tu pourrais voir dans ton examen, regardons les graphiques (spectre de masse) de certains éléments !
Le fluor et l'iode n'ont qu'un seul pic sur leur spectre de masse. Ainsi, le 19Fet le 127Iont tous deux une abondance de 100 %. En revanche, le brome élémentaire présente deux pics, il est donc composé de 51 % de brome-79 et de 49 % de brome-81. Le spectre de masse du chlore présente également deux pics : 76 % de 35Clet 24 % de 37Cl.
Fig. 5 : Spectres de masse des halogènes, StudySmarter Original.
Le spectre de masse du sélénium est illustré ci-dessous. Peux-tu deviner combien d'isotopes de sélénium (Se) existent ? Si tu as répondu 5, tu as raison !
Fig. 6 : Spectre de masse du sélénium, StudySmarter Original.
Dans ton examen AP, on ne te demandera pas d'interpréter des spectres de masse d'échantillons contenant plusieurs éléments !
Exemples de spectrométrie de masse
Maintenant que nous savons comment analyser un spectre de masse, voyons quelques exemples de questions d'examen.
Le spectre de masse d'un échantillon d'un élément pur est représenté ci-dessous. Quelle est l'identité de cet élément ?
a) Ga
b) Br
c) Ge
d) W
Fig. 7 : Spectre de masse d'un élément pur inconnu, StudySmarter Original.
Regarde la masse atomique qui possède l'abondance relative la plus élevée. Dans ce cas, le pic le plus élevé se trouve à la masse atomique 184. Trouve ensuite un élément dont la masse atomique est la plus proche de 184. Le tungstène a une masse atomique de 183,64. Ce spectre de masse correspond donc à un échantillon de tungstène(W) .
Résolvons une autre question.
Le spectre de masse d'un échantillon d'un élément pur est représenté ci-dessous. Laquelle des affirmations suivantes est vraie ?
a) L'isotope le plus abondant de l'élément a une masse atomique de 64 u.
b) L'isotope le plus abondant de l'élément a une masse atomique de 68 u.
c) La masse atomique moyenne de l'élément est de 64 u.
Fig. 8 : Spectre de masse d'un échantillon inconnu, StudySmarter Original.
Le pic le plus élevé du spectre de masse nous indique l'isotope le plus abondant. Le choix de réponse A est donc correct.
Spectroscopie de masse des éléments - Principaux enseignements
- La spectrométrie demasse (ou spectroscopie de masse) est une méthode utilisée pour déterminer la masse atomique des atomes/molécules d'un échantillon en ionisant une espèce chimique et en triant les ions en fonction de leur rapport masse/charge.
- La spectrométrie de masse explique la relation entre le spectre de masse d'un élément et les masses des isotopes de cet élément.
- Nous pouvons utiliser les informations fournies par la spectroscopie de masse pour calculer la masse atomique relative d'un élément.
- Lorsqu'il s'agit d'échantillons d'un seul élément, le pic le plus élevé du spectre nous indique l'isotope le plus abondant de cet élément.
Références
- AP ® Chemistry COURSE AND EXAM DESCRIPTION (n.d.). https://apcentral.collegeboard.org/pdf/ap-chemistry-course-and-exam-description.pdf
- Shelton, M., Princeton Review (Firm, & Penguin Random House. (2019). Cracking the AP chemistry exam (réussir l'examen de chimie de l'AP). Penguin Random House.
- Winter, M. (2017, 31 décembre). Données sur les isotopes du tableau périodique de WebElements" Cuivre". Webelements.com. https://www.webelements.com/copper/isotopes.html
- Theodore Lawrence Brown, Eugene, H., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M., Stoltzfus, M. W., & Lufaso, M. W. (2018). Chimie : la science centrale (14e éd.). Pearson.
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