Interprétation des Spectres de Masse
Analyser un spectre de masse pour identifier les isotopes d'un élément, déterminer leurs abondances relatives et calculer la masse atomique moyenne.
La spectrométrie de masse est une technique analytique puissante utilisée pour mesurer le rapport masse sur charge (m/z) des ions. Elle permet d'identifier les éléments présents dans un échantillon, de déterminer leurs masses isotopiques et leurs abondances relatives, et d'élucider la structure des molécules.
Un spectre de masse typique pour un élément présente des pics correspondant à ses différents isotopes. La hauteur (ou l'aire) de chaque pic est proportionnelle à l'abondance de l'isotope correspondant.
- Rapport Masse sur Charge (m/z) : Grandeur mesurée par le spectromètre. Pour des ions monochargés (\(z=1\)), m/z correspond directement à la masse de l'ion.
- Pic de Base : Pic le plus intense dans le spectre, auquel on attribue une abondance relative de 100%.
- Pics Isotopiques : Pics dus aux différents isotopes d'un même élément.
- Abondance Relative : Abondance d'un isotope par rapport à l'isotope le plus abondant (pic de base).
- Masse Atomique Moyenne : Masse moyenne d'un élément, calculée en tenant compte de la masse et de l'abondance de ses isotopes naturels : \(M_{moy} = \sum (masse_{isotope} \times abondance_{isotope})\).
Données du Problème
Le spectre de masse d'un échantillon de néon (Ne) purifié est analysé. On observe trois pics principaux pour les ions monochargés (\(z=1\)). Les données sont les suivantes :
- Pic 1 : m/z = 19.992 u, Abondance relative = 100.00 %
- Pic 2 : m/z = 20.993 u, Abondance relative = 0.29 %
- Pic 3 : m/z = 21.991 u, Abondance relative = 10.13 %
(u = unité de masse atomique)
Questions
- Identifier les isotopes du néon correspondant à chaque pic.
- Quel est le pic de base dans ce spectre ?
- Calculer l'abondance isotopique naturelle (en pourcentage) de chaque isotope du néon à partir des abondances relatives données. (Note : La somme des abondances naturelles doit être 100%).
- Calculer la masse atomique moyenne du néon à partir des masses isotopiques exactes et des abondances naturelles calculées.
- Si on observait un pic à m/z = 10 avec une très faible intensité, quelle pourrait être son origine, sachant que les ions sont monochargés ?
Correction : Interprétation des Spectres de Masse
1. Identification des Isotopes
Les valeurs m/z pour des ions monochargés (\(z=1\)) correspondent directement aux masses des isotopes. Le nombre de masse (entier le plus proche) permet d'identifier l'isotope.
- Pic 1 (m/z = 19.992 u) correspond à l'isotope Néon-20 (\(^{20}\text{Ne}\)).
- Pic 2 (m/z = 20.993 u) correspond à l'isotope Néon-21 (\(^{21}\text{Ne}\)).
- Pic 3 (m/z = 21.991 u) correspond à l'isotope Néon-22 (\(^{22}\text{Ne}\)).
Les isotopes sont : \(^{20}\text{Ne}\), \(^{21}\text{Ne}\), et \(^{22}\text{Ne}\).
2. Identification du Pic de Base
Le pic de base est le pic le plus intense du spectre, auquel on attribue une abondance relative de 100%.
D'après les données, le Pic 1 (m/z = 19.992 u) a une abondance relative de 100.00%.
Le pic de base correspond à l'isotope \(^{20}\text{Ne}\) (m/z = 19.992 u).
3. Calcul des Abondances Isotopiques Naturelles
Les abondances relatives sont données par rapport au pic de base (100%). Pour trouver les abondances naturelles, il faut normaliser la somme de ces abondances relatives à 100%.
Soit \(A_{rel}(^{20}\text{Ne}) = 100.00\), \(A_{rel}(^{21}\text{Ne}) = 0.29\), \(A_{rel}(^{22}\text{Ne}) = 10.13\).
Somme des abondances relatives : \(S_{rel} = 100.00 + 0.29 + 10.13 = 110.42\).
L'abondance naturelle de chaque isotope \(X\) est : \(A_{nat}(X) = \frac{A_{rel}(X)}{S_{rel}} \times 100\%\).
Pour \(^{20}\text{Ne}\) :
Pour \(^{21}\text{Ne}\) :
Pour \(^{22}\text{Ne}\) :
Vérification : \(90.56\% + 0.26\% + 9.17\% = 99.99\% \approx 100\%\) (les petites différences sont dues aux arrondis).
- Abondance naturelle de \(^{20}\text{Ne} \approx 90.56\%\)
- Abondance naturelle de \(^{21}\text{Ne} \approx 0.26\%\)
- Abondance naturelle de \(^{22}\text{Ne} \approx 9.17\%\)
Quiz Intermédiaire : Abondance
4. Calcul de la Masse Atomique Moyenne du Néon
La masse atomique moyenne est la somme pondérée des masses de chaque isotope par leur abondance naturelle (fractionnaire).
Données :
\(^{20}\text{Ne}\) : masse = 19.992 u, abondance \(\approx 0.9056\)
\(^{21}\text{Ne}\) : masse = 20.993 u, abondance \(\approx 0.0026\)
\(^{22}\text{Ne}\) : masse = 21.991 u, abondance \(\approx 0.0917\)
La masse atomique moyenne calculée du néon est \(M_{moy}(\text{Ne}) \approx 20.171 \text{ u}\).
5. Origine d'un Pic à m/z = 10
Si les ions sont monochargés (\(z=1\)), m/z = masse. Un pic à m/z = 10 pourrait indiquer un ion de masse 10 u. Cependant, si l'on considère la possibilité d'ions multichargés, cela pourrait être différent.
Si les ions sont supposés être monochargés, un pic à m/z = 10 ne correspondrait à aucun isotope naturel du néon.
Cependant, si des ions doublement chargés (\(z=2\)) sont formés, alors m/z = masse/2. Un ion \(^{20}\text{Ne}^{2+}\) aurait un m/z de \(19.992 / 2 \approx 9.996 \approx 10\).
Une autre possibilité, bien que moins probable pour un échantillon de néon purifié, serait une impureté de faible masse moléculaire ou un fragment si des molécules étaient présentes et ionisées.
Un pic à m/z = 10 pourrait correspondre à un ion \(^{20}\text{Ne}^{2+}\) doublement chargé.
Quiz Intermédiaire : Ions Multichargés
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Glossaire des Termes Clés
Spectrométrie de Masse :
Technique d'analyse qui mesure le rapport masse sur charge (m/z) des ions, permettant d'identifier des composés et d'étudier leur structure et leur composition isotopique.
Rapport Masse/Charge (m/z) :
Quantité mesurée par un spectromètre de masse, où 'm' est la masse de l'ion et 'z' est sa charge élémentaire.
Isotopes :
Atomes d'un même élément chimique ayant le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons, et donc des masses atomiques différentes.
Pic de Base :
Le pic le plus intense dans un spectre de masse, dont l'abondance relative est définie à 100%.
Abondance Relative :
Intensité d'un pic isotopique ou de fragment par rapport à celle du pic de base.
Abondance Isotopique Naturelle :
Pourcentage de chaque isotope d'un élément tel qu'il se trouve naturellement.
Masse Atomique Moyenne :
Masse moyenne des atomes d'un élément, calculée comme la moyenne pondérée des masses de ses isotopes naturels en fonction de leurs abondances.
Unité de Masse Atomique (u ou uma) :
Unité standard de masse pour les atomes et les molécules, définie comme 1/12 de la masse d'un atome de carbone-12.
Questions d'Ouverture ou de Réflexion
1. Comment la résolution d'un spectromètre de masse affecte-t-elle sa capacité à distinguer des ions de masses très proches ?
2. Outre l'identification isotopique, quelles autres informations peut-on obtenir à partir du spectre de masse d'une molécule organique (par exemple, par l'analyse des pics de fragmentation) ?
3. Citez quelques applications pratiques de la spectrométrie de masse dans différents domaines (médecine, environnement, archéologie, etc.).
4. Quelle est la différence entre un spectre de masse à basse résolution et un spectre de masse à haute résolution ?
5. Comment les techniques d'ionisation (par exemple, impact électronique, ionisation chimique, MALDI, ESI) influencent-elles le type d'ions formés et l'apparence du spectre de masse ?
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