John Dalton a dit un jour "les atomes d'un même élément sont identiques". Après de nombreuses années, les scientifiques ont découvert que cette affirmation n'était pas vraie ! Certains éléments ont différents isotopes qui diffèrent en masse. Pour étudier ces isotopes, nous pouvons nous pencher sur la spectroscopie de masse des éléments !
- Tout d'abord, nous définirons la spectrométrie de masse
- Ensuite, nous parlerons de la spectroscopie de masse atomique et du spectre de masse.
- Puis, nous apprendrons comment calculer la masse atomique relative d'un élément à partir des informations fournies par la spectroscopie de masse.
- Enfin, nous examinerons les graphiques de certains éléments et des exemples de questions d'examen.
Quelle est la définition d'une Spectrométrie de masse ?
Commençons par définir la spectrométrie de masse.
La spectrométrie de masse (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 retirer 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 a une charge positive et un électron non partagé.
\( M + \ e^{-} \rightarrow \ M^{+.} + \ 2e^{-} \)
Par exemple, considérons la molécule de méthane \( (CH_{4}) \) . Cette molécule va former un cation radicalaire, selon l'équation ci-dessus, de la manière suivante :
Spectrométrie de masse : cours
Tu es curieux de savoir comment fonctionne un spectromètre de masse ? Jetons un coup d'œil !
Comment fonctionne un spectromètre de masse ?
Supposons que tu aies un échantillon de méthane \( (CH_{4}) \) . Tout d'abord, l'échantillon de gaz est introduit dans le spectromètre. Ensuite, des électrons sont projetés sur les molécules de gaz, qui peuvent 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).
Lorsque le champ magnétique augmente, les ions des isotopes les 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 \( \frac{m}{z} \) .
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 !
Spectrométrie de masse : principe
La spectroscopie de masse est une technique d'analyse qui peut être utilisée pour identifier la quantité et les types de réaction chimique dans un échantillon donné. Elle peut également être utilisée pour élucider la structure et la quantité de tout composé sur la base de sa masse ionisée et de sa charge.
La spectroscopie de masse comporte les étapes de base suivantes :
Ionisation : Dans cette étape, la molécule est ionisée par l'élimination des électrons.
Accélération : Grâce à l'énergie cinétique, les ions sont accélérés.
Déviation : En raison de la présence d'un champ magnétique, les ions sont déviés.
Détection : Dans cette étape, les ions sont détectés à l'aide d'un détecteur.
Spectrométrie de masse en tandem
Une spectrométrie de masse en tandem \( (TANDEM MS) \) , également nommée \( MS/MS \) , est une technique en deux étapes utilisée pour analyser un échantillon soit en utilisant deux ou plusieurs spectromètres de masse connectés entre eux, soit un seul spectromètre de masse par plusieurs analyseurs disposés les uns à la suite des autres.
Le \( TANDEM MS \) contient deux ou trois quadrupôles et un analyseur \( TOF \) . L'analyseur de masse couplé à la source \( MALDI \) détermine le type d'analyse \( MS/MS \) qui peut être effectué.
La \( MS/MS \) est particulièrement utile pour analyser des mélanges complexes et implique deux étapes de \( MS \) . Dans la première étape de la \( MS/MS \) , un ensemble prédéterminé d'ions \( \frac{m}{z} \) est isolé du reste des ions provenant de la source d'ions et fragmenté par une réaction chimique. Dans la deuxième étape, les spectres de masse sont produits pour les fragments. Le \( TANDEM \ MS \) est généralement utilisé pour la bioanalyse des médicaments.
Spectrométrie de masse : fragmentation
Le clivage des ions \( M^{+} \) (également écrits \( M^{+.} \) ) provenant de l'ionisation par impact électronique ou des ions \( [M^{+1}]^{+} \) provenant de l'ionisation chimique au niveau des liaisons proches du site d'ionisation donne des ions fragmentés plus petits.
L'apparition d'ions fragmentés dans le spectre de masse et la compréhension des mécanismes de fragmentation peuvent fournir des informations sur la structure de composés inconnus. L'ionisation par impact électronique produit des ions radicaux moléculaires, également appelés ions d'électrons impairs. Leur fragmentation est très courante et est souvent prédite par une compréhension de la chimie des radicaux libres.
L'ionisation chimique produit des ions à électrons pairs qui sont moins susceptibles de se fragmenter. La fragmentation qui se produit est souvent prévue par une compréhension de la chimie des cations.
La règle générale est que la voie de fragmentation la plus favorable clive la ou les liaisons les plus faibles près du site d'ionisation pour donner les produits cationiques et/ou radicalaires les plus stables2 .
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 fractionnaires des deux isotopes. Ainsi, en observant le spectre de masse, nous pouvons dire que le cuivre élémentaire est composé de \( 69,17 \% \) de \( ^{63}Cu \) et de \( 30,83 \% \) de \( ^{65}Cu \) .
Fig. 1- Spectre de masse du cuivre (Cu).
Dans le graphique du spectre de masse, \( \frac{m}{z} \) peut également être écrit comme masse atomique \( (amu) \) par charge ou rapport \( masse/charge \) .
Si tu es toujours aussi confus, ne t'inquiète pas ! Nous verrons plus tard d'autres exemples impliquant des graphiques de spectre de masse.
D'après tes connaissances sur la spectrométrie de masse, laquelle des affirmations suivantes est vraie ?
- Les données obtenues par spectrométrie de masse nous indiquent les états d'oxydation courants des éléments.
- La spectrométrie de masse montre les tendances de la taille des atomes dans le tableau périodique.
- La spectrométrie de masse confirme l'existence des isotopes.
Le bon choix de 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. Rappelle-toi : les éléments sont présents dans la nature sous forme de mélanges d'isotopes.
Les isotopes sont des atomes du même élément ayant le même nombre de protons (numéro atomique) mais des masses différentes (nombre de neutrons différents).
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 :
Examinons le spectre de masse du néon. Remarque : il présente trois pics, ou trois isotopes du néon : \( ^{20}Ne (90,9 \% d'abondance) \) , \( ^{21}Ne (0,3 \% d'abondance) \) et \( ^{22}Ne (8,8 % d'abondance) \) .
Fig. 2- Spectre de masse du néon (Ne).
Nous pouvons utiliser l'équation ci-dessus pour trouver la masse atomique relative du néon.
Savais-tu que la spectrométrie de masse peut également être utilisée pour identifier des composés organiques en chimie organique ? Au cours du processus de spectrométrie de masse, l'échantillon est bombardé d'électrons à haute énergie, ce qui provoque la fragmentation du composé. Dans ce cas, le spectre de masse est un peu différent. L'ion moléculaire provoque le pic au rapport \( \frac{m}{z} \) 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 de la propanone \( (CH_{3}COCH_{3} ) \) présente un pic parent à un rapport \( \frac{masse}{charge} \) de \( 58 \) .
Fig. 3- Spectre de masse de la propanone.
Spectroscopie de masse : Graphes des éléments
Avant de voir quelques exemples de questions liées à la spectrométrie de masse que tu pourrais rencontrer dans ton examen, regardons les graphes (spectre de masse) de certains éléments !
Le fluor et l'iode n'ont qu'un seul pic sur leur spectre de masse. Ainsi, le \( ^{19}F \) et le \( ^{127}I \) ont tous deux une abondance de \( 100 \% \) . D'autre part, le brome élémentaire a deux pics, il est donc composé de \( 51 \% \) de \( brome-79 \) et de \( 49 \% \) de \( brome-81 \) . Le chlore présente également deux pics dans son spectre de masse : \( 76 \% \) de ^{35}Cl \) et \( 24 \% \) de \( ^{37}Cl \) .
Fig.4 - Spectres de masse des Halogènes.
Le spectre de masse du sélénium est présenté ci-dessous. Peux-tu deviner combien d'isotopes du sélénium \( (Se) \) existent ? Si tu as dit \( 5 \) , alors tu as raison !
Fig. 5- Spectre de masse du sélénium.
Dans ton examen Bac, on ne te demandera pas d'interpréter les spectres de masse d'échantillons contenant plusieurs éléments !
Spectrométrie de masse : interprétation spectre
Un spectre de masse est généralement présenté sous la forme d'un graphique à barres verticales, dans lequel chaque barre représente un ion ayant un rapport \( \frac{masse}{charge} \) \( ( \frac{m}z{} ) \) spécifique et la longueur de la barre indique l'abondance relative de l'ion. L'ion le plus intense se voit attribuer une abondance de \( 100 \) , et il est appelé pic de base.
Pour interpréter un spectre de masse, tu peux suivre les étapes suivantes :
Identifie l'ion moléculaire ;
Identifie les principaux groupes de fragmentation ;
Détermine le \( ∆m \) pour chaque pic majeur ;
Identifie les hétéroatomes éventuels ;
Identifie le reste de la molécule ;
Nomme la molécule.
Exemples de spectrométrie de masse
Maintenant que nous savons comment analyser un spectre de masse, examinons quelques exemples de questions d'examen.
Le spectre de masse d'un échantillon d'un élément pur est présenté ci-dessous. Quelle est l'identité de cet élément ?
a) Ga
b) Br
c) Ge
d) W
Fig. 6- Spectre de masse d'un élément pur inconnu.
Regarde la masse atomique qui possède la plus grande abondance relative. Dans ce cas, le pic le plus élevé se situe à la masse atomique \( 184 \) . Ensuite, trouve un élément dont la masse atomique est la plus proche de \( 184 \) . Le tungstène a une masse atomique de \( 183,64 \) . Donc, ce spectre de masse correspond à un échantillon de tungstène \( (W) \) .
Résolvons une autre question.
Le spectre de masse d'un échantillon d'un élément pur est présenté 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. 7- Spectre de masse d'un échantillon inconnu.
Le pic le plus élevé dans le spectre de masse nous indique l'isotope le plus abondant. Donc, le choix de réponse A est correct.
Spectrométrie de masse : avantages et inconvénients
La spectrométrie de masse présente de nombreux avantages et inconvénients qui peuvent être décrits comme suit :
Avantages
- Elle est utilisée pour l'analyse qualitative et quantitative des substances chimiques.
- Elle ne se limite pas aux masses moléculaires, elle classe également les isotopes de l'échantillon et nous aide à trouver la structure chimique du composé inconnu.
- Il peut calculer la pureté de l'échantillon.
- Son principal avantage est qu'elle est très sensible par rapport aux autres techniques.
- On peut donc dire que c'est un excellent outil pour identifier ou confirmer la présence de composés inconnus.
Inconvénients
- Le principal inconvénient de la spectrométrie de masse est que les hydrocarbures qui produisent des ions similaires ne sont pas identifiés.
- Elle n'est pas non plus capable de séparer les isomères optiques et géométriques.
- La spectrométrie de masse ne permet pas non plus de distinguer les hydrocarbures dont les ions se fragmentent de manière similaire.
Spectrométrie de masse - Points clés
- La spectrométrie de masse (ou spectroscopie de masse) est une méthode utilisée pour déterminer la masse atomique des atomes/molécules.
- Le principe de la spectrométrie de masse est basé sur la séparation des particules ionisées telles que les atomes et les molécules en utilisant les différences dans les rapports entre leurs charges et leurs masses respectives \( ( \frac{masse}{charge} \) \( ( \frac{m}{z} ) \) .
- la compréhension des mécanismes de fragmentation dans le spectre de masse, peuvent fournir des informations sur la structure de composés inconnus.
- 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 de la spectrométrie 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.
- L'avantage principal de la spectrométrie de masse est qu'elle est très sensible par rapport aux autres techniques.
- Le principal inconvénient de la spectrométrie de masse est que les hydrocarbures qui produisent des ions similaires ne sont pas identifiés.
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