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Capteurs électrochimiques
Chimie-physique, mesure - Fonctionnement, utilisation, conception.Cours et exercices corrigés.

Capteurs électrochimiques - ellipses - 9782729839970 -
Capteurs électrochimiques 

Auteur : 

Editeur : Ellipses

Collection : Technosup

Date parution :

Les capteurs d'espèces chimiques trouvent leur utilité dans les systèmes d'analyse et les asservissements en contrôle des procédés, dans de très nombreux domaines (industrie chimique, agroalimentaire, pharmacie, environnement, automobile, domotique...).

Or il n'existait pas à ce jour de livre d'enseignement spécifique à ce domaine pluridisciplinaire. Cet ouvrage a pour vocation de répondre à des besoins actuels et futurs en donnant les bases théoriques essentielles pour une bonne compréhension du fonctionnement de ces capteurs, que ce soit au niveau de l'utilisateur et/ou du concepteur et quelle que soit sa formation.

Son contenu s'appuie sur des expériences pédagogiques vécues par les auteurs avec des étudiants de diverses disciplines (chimistes, biologistes, physiciens, électroniciens) et différents niveaux, en formation initiale ou continue.

Outre des parties de cours sur les différents types de capteurs (impédancemétriques, faradiques et potentiométriques) illustrées par des exemples, il comporte également des exercices corrigés permettant au lecteur de s'auto-évaluer.

Il s'adresse aux étudiants en formation initiale ainsi qu'aux personnes en activité pour une éventuelle autoformation complémentaire.

Auteurs :

Pierre Fabry, Professeur honoraire de l'université J. Fourier (Grenoble 1), physicien de formation initiale, s'est spécialisé en électrochimie des solides, notamment dans le domaine des capteurs à gaz et à ions. Chantal Gondran, Maître de Conférences à l'université J. Fourier, chimiste de formation s'est reconvertie dans le domaine des biocapteurs. Elle enseigne essentiellement la physico-chimie et l'électrochimie.


En suivant ce lien, retrouvez tous les livres dans la spécialité Chimie physique.

Descriptif : 

Reliure :
Broché
Nbr de pages :
306
Dimension :
17.5 x 26 x 1.7 cm
Poids :
590 gr
ISBN 10 :
2729839976
ISBN 13 :
9782729839970
39,60 €
Sur commande
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Avis clients sur Capteurs électrochimiques - ellipses - Technosup

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Sommaire

TABLE DES MATIERES


CHAP.
1 : ASPECTS GENERAUX
1.
Discussion sur la terminologie 1

1.1.
Définition d'un capteur 1

1.2.
Définition d'un détecteur 2

1.3.
Capteur ou senseur 3

1.4.
Dispositifs actifs et passifs 3

2.
Différents types de capteurs 4

2.1.
Capteurs physiques 4

2.2.
Capteurs chimiques 4

2.3.
Biocapteurs 5

3.
Quelques évènements historiques 5

4.
Domaines d'application 6

5.
Caractéristiques 8

5.1.
Critères de qualité spécifiques 8

5.2.
Caractéristiques métrologiques 9

5.2.1.
Dérive et stabilité 9

5.2.2.
Erreur systématique, répétabilité, fidélité 9

5.2.3.
Reproductibilité 9

5.2.4.
Résolution 9

5.2.5.
Précision, justesse 10

5.2.6.
Sensibilité II

5.2.7.
Gamme de sensibilité, limite de détection II

5.2.8.
Temps de réponse 13

5.2.9.
Sélectivité 14

6.
Modes d'utilisation 15

7.
Etalonnage 16

7.1.
Etalonnage direct 16

7.2.
Etalonnage indirect 17

8.
Unités des mesurandes 17

8.1.
En phase gazeuse 17

8.1.1.
Pression partielle 17

8.1.2.
Teneur 18

8.1.3.
Concentration massique 18

8.2.
En phases liquides 18

8.2.1.
Molarité ou concentration molaire 18

8.2.2.
Molalité 19

8.2.3.
Concentration massique 19

8.2.4.
Fraction molaire 19

8.2.5.
Fraction massique 19

8.2.6.
Activité 19

9.
Concepts de base d'électrochimie 24

9.1.
Interfaces 24

9.2.
Potentiels et flux 24

9.2.1.
Définition des potentiels 25

9.2.2.
Relation flux-force 25

9.2.3.
Cas limites 26

9.3.
Conductivités des matériaux ioniques 27

9.3.1.
Conductivités et nombres de transport 27

9.3.2.
Dimensions et sources de données 28

9.4.
Equilibres aux interfaces 30

9.4.1.
Interfaces ioniques 31

9.4.2.
Electrode 32

9.5.
Double couche électrochimique 34

9.6.
Bilan de réaction d'électrode, loi de Faraday 35

9.7.
Différence de potentiel aux bornes d'un dispositif électrochimique 37

9.7.1.
Chaine galvanique (à l'abandon) 37

9.7.2.
Systèmes de référence pratiques 38

9.7.3.
Systèmes hors d'équilibre global 39

9.8.
Notion de tension mixte 42

Exercices 43

CHAP.
Il : CAPTEURS IMPEDANCEMETRIQUES 45

1.
Impédance d'un matériau 45

1.1.
Circuit électrique équivalent 45

1.2.
Phénomènes aux interfaces 48

1.2.1.
Electrodes bloquantes 48

1.2.2.
Impédance de Warburg 49

1.2.3.
Adsorption et désorption lentes 50

1.2.4.
Transfert et double couche 50

1.2.5.
Schéma électrique général 51

2.
Diagrammes d'impédance 52

2.
1. Représentation de Bode 52

2.2.
Représentation de Nyquist 54

2.2.1.
Cas idéaux 54

2.2.2.
Cas réels 57

3.
Capteurs à transduction directe 59

3.1.
Choix des paramètres de mesure 60

3.1.1.
Choix de la fréquence de mesure 60

3.1.2.
Choix du facteur géométrique des cel/ules 62

3.1.3.
Choix du matériau d'électrode 63

3.1.4.
Choix du montage électrique 65

3.2.
Utilisations 65

3.2.1.
Contrôles non sélectifs 65

3.2.2.
Les titrages conductimétriques 66

3.2.3.
Utilisation en chromatographie 68

4.
Capteurs à transduction indirecte 68

4.1.
Capteurs à oxygène 68

4.1.1.
Matériaux à semiconduction mixte 69

4.1.2.
Modélisation 69

4.1.3.
Réalisation de capteurs à oxygène 72

4.2.
Autres capteurs à gaz conductimétriques 75

4.2.1.
Semiconducteurs moléculaires 76

4.2.2.
Céramiques semiconductrices 77

4.2.3.
Films métalliques 77

4.2.4.
Les capteurs d'humidité 78

4.3.
Par dissolution d'un gaz 78

4.3.1.
Réactions acide-base 78

4.3.2.
Déplacement ionique 80

4.4.
Biocapteurs enzymatiques 81

4.4.1.
Principe de fonctionnement 81

4.4.2.
Considérations pratiques 81

4.5.
Immunocapteurs, capteurs ADN 85

4.5.1.
Utilisation d'électrodes bloquantes (non faradiques) 86

4.5.2.
Utilisation d'une sonde-redox (électrodes faradiques) 87

4.5.3.
Dispositifexpérimental 89

Exercices 90

CHAP.
III : CAPTEURS FARADIQUES 94

1.
Principes généraux 94

1.1.
Limitation d'apport à l'interface 94

1.2.
Différents types de cellules 96

1.2.1.
Convection contrôlée 96

1.2.2.
Cas des microélectrodes 98

1.2.3.
Dispositifs à barrière d'apport 99

1.3.
Caractéristiques en régime stationnaire 100

1.4.
Problème des interférences 103

1.4.1.
Choix de la tension imposée 103

1.4.2.
Effet d'une membrane sur la sélectivité 104

1.5.
Méthodes d'électrochimie analytique 106

2.
Exemples de capteurs de 1ère espèce 107

2.1.
Dispositifs à convection contrôlée 107

2.2.
Electrode de Clark 108

2.3.
Capteurs de type pile à combustible III

2.3.1.
Cas des combustibles III

2.3.2.
Cas des espèces oxydantes 114

2.4.
Capteurs à électrolyte solide 115

2.4.1.
Capteurs simples 115

2.4.2.
Systèmes à étages 117

3.
Biocapteurs ampérométriques 119

3.1.
Capteurs enzymatiques de première génération 119

3.1.1.
Principe de fonctionnement 119

3.1.2.
Problème des interférents 124

3.1.3.
Les inhibiteurs 125

3.2.
Capteurs enzymatiques fonctionnant par inhibition réversible 126

3.3.
Biocapteurs à médiateur redox 127

4.
Capteurs coulométriques 128

4.1.
Système étanche 128

4.2
Système à cavité ouverte 129

Exercices 131

CHAP.
IV : SONDES POTENTIOMETRIQUES A GAZ 136

1.
Quelques points spécifiques 136

1.1.
Définitions 136

1.2.
Avantages et inconvénients des capteurs thermodynamiques 137

1.3.
Les électrodes à gaz 137

1.4.
Problème de l'impédance 138

2.
Sondes de 1ère génération 139

2.1.
Mesures en mode différentiel 140

2.2.
Systèmes de référence solide 142

2.3.
Performances d'utilisation 144

2.3.1.
Limite d'utilisation 146

2.3.2.
Durée de vie 149

2.3.3.
Modèle d'inteiférence 150

2.3.4.
Modèles de temps de réponse 152

3.
Sondes à transduction potentiométrique indirecte 158

3.1.
Fonctionnement par interférence 158

3.2.
Ajout d'une phase solide à l'interface 160

3.2.1.
Système à référence solide 160

3.2.2.
Configuration ouverte 161

3.2.3.
Application à des sondes pour espèces métalliques 162

3.3.
Ajout d'une phase gazeuse 164

4.
Capteurs à tension mixte 165

Exercices 167

CHAP.
V : CAPTEURS POTENTIOMETRIQUES EN SOLUTION 170

1.
Défmition de la chaîne de mesure 170

1.1.
Principe de sensibilité 170

1.2.
Terminologie 171

1.3.
Les systèmes de référence 171

2.
Electrodes métalliques 172

2.1.
Electrodes attaquables 172

2.2.
Electrode à hydrogène 173

2.3.
Electrodes redox 175

2.3.1.
Electrodes simples 175

2.3.2.
Electrodes modifiées 175

3.
ISE de 1ère espèce à membrane minérale 176

3.1.
Principe de base 176

3.2.
Conception d'une demi-pile pour une ISE 177

3.3.
Etablissement de la tension thermodynamique 179

3.4.
Interférence par échange et diffusion dans la membrane 180

3.5.
Phénomènes de surface 182

3.5.1.
Cas particulier de l'électrode à pH 182

3.5.2.
Electrode à fluorure 183

3.6.
Réalisations 183

4.
ISE de 2ème espèce à membrane minérale 185

4.1.
Définition 185

4.2.
Electrodes à oxyde métallique sensible au pH 186

4.3.
Les ISE à membranes de chalcogénures 187

4.3.1.
Description macroscopique de la sensibilité 187

4.3.2.
Description microscopique 188

4.3.3.
Rôle de la conduction électronique 188

4.4.
Modélisation de l'interférence 189

4.5.
Application à l'analyse d'espèces neutres 190

4.5.1.
Electrodes à gaz 190

4.5.2.
Biocapteurs potentiométriques 191

5.
ISE à membrane organique 192

5.1.
Principe de fonctionnement 193

5.2.
Interférences 194

6.
Electrodes de référence externes 196

6.1.
Principe 196

6.2.
Pseudo-références 196

6.3.
Electrodes de référence à jonction liquide 197

6.3.1.
Principe 197

6.3.2.
Exemples d'électrodes de référence usuelles 199

7.
Point isoélectrique 202

8.
Systèmes de référence interne 203

9.
Caractéristiques 204

9.1.
Limite de détection 204

9.1.1.
DéfinilionlUPAC 204

9.1.2.
Phénomènes mis enjeu 205

9.2.
Détermination des coefficients de sélectivité 207

9.2.1.
Méthode des solutions séparées 208

9.2.2.
Méthodes des solutions mixtes 208

9.2.3.
Méthode d'harmonisation de tension 210

9.3.
Temps de réponse 210

9.3.1.
Prise en compte du phénomène de solvatation 210

9.3.2.
Autres cas 212

9.3.3.
Interférence en transitoire, application en FIA 214

9.3.4.
Méthodes de caractérisation 215

10.
Capteurs à effet de champ 217

10.1.
Principe général 217

10.2.
Sensibilité 218

10.3.
Description des configurations 220

Il.
Applications particulières 221

Il.1.
Mesures en mode différentiel 222

Il.2.
Dosages 223

Il.2.1.
Dosages d'oxydoréduction 223

Il.2.2.
Utilisation d'une ISE 226

Il.3.
Mesures des biosignaux 228

Exercices 231

ANNEXES 236

A Défauts ponctuels dans les solides cristallisés 236

B.
Concepts de base sur la biosensibilité 242

C.
Force électromotrice en électrochimie des solides 250

D.
Tension de jonction ionique 255

E.
Modèle thermodynamique d'interférence pour une ISE de 1ère espèce 258

F.
Tables numériques 261

REPONSES AUX EXERCICES 265

SUPPORTS BIBLIOGRAPHIQUES 298

SYMBOLES ET ABREVIATIONS 300

INDEX 303