1. Introduction

a) Présentation

L’absorption et l’émission atomique sont des techniques d’analyse élémentaire (analyse des atomes), très sensibles, permettant les dosages.

L’échantillon doit être transformé en atomes libres, les molécules sont ainsi fragmentée par un traitement de 2000 à 3000°C dans une flamme, ce qui les fait passer à l’état gazeux.

b) Faire la différence entre absorption et émission atomique

Une lumière émise par une source polychromatique telle qu’une lampe donnera un spectre continu après avoir été dispersée par un prisme.

Émission atomique 

Lorsque la lampe est remplacée par un bec Bunsen dans lequel on projette du NaCl2, on obtient un spectre de raies qui correspond aux quelques atomes de sodium passées dans un état excité et qui émettent de la lumière en revenant à l’état fondamental.

Absorption atomique 

Cette fois ci, le bec bunsen est placé sur le trajet de la lumière polychromatique. On a alors un spectre où l’on distingue des raies sombres : les atomes restés à l’état fondamental dans la flamme absorbent la lumière à des longueurs d’ondes données.

c) Rôle de la flamme

La flamme casse les molécules afin de libérer et de vaporiser les atomes. Elle fait passer une partie des atomes à l’état excité.

  • Loi de répartition de Maxwell-Boltzmann quantifie l’effet de la température sur les transitions électroniques :

Elle donne le rapport du nombre d’atomes excités sur le nombre d’atomes à l’état fondamental. À noter que la majorité des atomes reste à l’état fondamental, ce rapport est par conséquent petit.

2. Principes de dosage

a) Dosage par absorption atomique

Le dosage par absorption atomique est une analyse quantitative :

Absorbance = a * largeur * concentration

Avec a : coefficient d’absorption. C’est une méthode qui nécessite un étalonnage.

b) Dosage par émission de flamme

Le dosage par émission de flamme est également une méthode quantitative :

Intensité = k * concentration

Cette équation décrit le caractère proportionnel entre l’intensité lumineuse émise et la concentration de l’échantillon.

Il n’y a pas de source lumineuse, on mesure les photons émis par les atomes qui retournent à l’état fondamental après que la flamme les ai excités.

3. Appareillage

a) Les différentes lampes

  • Lampe à cathode creuse : c’est une lampe remplie d’Argon ou de Néon, à durée de vie limitée.
  • Lampe à décharge sans électrode : l’émission est plus intense, la durée de vie supérieure mais son utilisation nécessite un appareillage complexe.

b) Le système d’atomisation

  • L’atomisation se fait par nébulisation dans une flamme : le nébuliseur réduit le liquide d’analyse en un fin brouillard de gouttelettes. La flamme évapore le solvant, atomise les molécules et les vaporise. La flamme doit être stable et contrôlée.
  • Atomisation par électrothermie : le gaz ne passe pas dans une flamme mais parcourt un tube en carbone chauffé par palier.

4 . Spectrométrie d’émission atomique

a) Principe

Le principe est le même que l’émission de flamme, mais à une température de 8000 à 9000 Kelvin. À cette température, tous les éléments sont vaporisés en même temps et seront ainsi quantifiés simultanément.

b) Appareillage

Système de chauffage

Le chauffage est assuré par une torche à plasma : on atteint les 9000°C et tous les éléments deviennent émissifs.

Le gaz le plus utilisé dans ces torches est l’argon. Il a un potentiel d’ionisation très élevé donc tous les éléments avec un potentiel d’ionisation plus faibles seront ionisés.

Le terme « plasma » désigne le 4ème état de la matière (en plus de solide, liquide et gazeux). Il s’agit d’un milieu constitué d’électrons et d’atomes en équilibre entre l’état stable et ionisé.

Système d’analyse

On utilise des appareils dispersifs et de mesure :

  • Spectrographe avec capteur à 2 dimensions : les différentes radiations forment des images décalées latéralement les unes par rapport aux autres.
  • Spectrographe à réseau concave : l’image diffractée va vers des fentes de sorties avec des détecteurs.
  • Spectromètre.

En conclusion, la spectrométrie d’émission atomique est une méthode d’analyse très performante qui peut être couplée à une chromatographie en phase gazeuse. Elle permet d’avoir des informations élémentaires mais détruit totalement l’échantillon (9000K c’est pas joyeux) et est très onéreuse.