L'une des toutes premières expériences pratiques que tu as probablement réalisées en chimie au lycée est un exemple simple de chromatographie sur papier : la séparation d'une encre colorée. Tu traces une ligne au crayon sur le bas d'une feuille de papier appelée phase stationnaire, tu places un point d'encre sur la ligne et tu places la feuille à la verticale dans un bécher de solvant. Le solvant remonte le long du papier, entraînant l'encre avec lui, et l'encre se sépare en ses différents composants colorés.
- Ce résumé de cours est consacré au type de chromatographie appelé chromatographie sur papier.
- Nous commencerons par examiner l'analyse chromatographique avant de définir la chromatographie sur papier, phase stationnaire et mobile.
- Nous présenterons ensuite le facteur de rétention et l'affinité relative et tu peux calculer les valeurs \( R_f \) à l'aide d'un exemple qui te guidera tout au long du processus.
- Nous verrons ensuite les avantages de la chromatographie sur papier.
- Enfin, nous examinerons la chromatographie liquide et la chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse.
Analyse chromatographique
L'analyse chromatographique a plusieurs utilisations importantes dans les industries pharmaceutiques, alimentaires et industrielles. La chromatographie est utilisée pour purifier des substances, tester la qualité d'un produit ou analyser le contenu d'une substance.
La chromatographie est une méthode scientifique permettant de séparer les composants d'un mélange. Elle consiste à faire passer un mélange à travers une phase stationnaire en utilisant une phase mobile.
Qu'est-ce que la chromatographie sur papier ?
La chromatographie sur papier est une technique analytique utilisée pour séparer et analyser des mélanges de substances solubles. Il s'agit d'un type de chromatographie.
Phase stationnaire : Papier-filtre
La phase stationnaire est un solide, un liquide ou un gel statique. En chromatographie, le solvant transporte le mélange soluble à travers la phase stationnaire.
Dans la chromatographie sur papier, la phase stationnaire est - comme son nom l'indique - du papier-filtre. Mais c'est un peu plus compliqué que cela. Le papier-filtre est constitué de cellulose, un polymère de glucose. Les fibres de cellulose se lient à la vapeur d'eau contenue dans l'air, ainsi qu'à l'eau présente lors de la fabrication du papier. On peut en fait considérer la phase stationnaire comme une matrice complexe composée d'eau et de papier, et non pas seulement du papier lui-même.
Phase mobile
La phase mobile est le solvant utilisé pour transporter le mélange analysé à travers la phase stationnaire.
La phase stationnaire - le papier - est placée dans un solvant. C'est notre phase mobile. En chromatographie sur papier, nous utilisons généralement un solvant non polaire. Le solvant remonte le long du papier, entraînant avec lui les différents composants du mélange.
Qu'est-ce qu'une rétention ?
Les composants du mélange d'échantillons remontent la phase stationnaire à des vitesses différentes. Cela signifie que dans un laps de temps donné, les différents composants parcourent des distances différentes.
Ces composants sont représentés par des taches sur le chromatogramme, qui est le nom de ton document une fois l'expérience terminée. Le rapport entre la distance parcourue par chaque composant et la distance totale parcourue par le solvant nous donne les valeurs \( R_f \) .
Pour calculer une valeur \( R_f \) , il faut diviser la distance parcourue par le composant - en d'autres termes, la distance entre le trait de crayon de départ et la tache colorée - par la distance parcourue par le solvant.
Les valeurs \( R_f \) sont importantes parce que chaque composant a une valeur \( R_f \) fixe dans un ensemble spécifique de conditions. Si l'on répète l'expérience en gardant la phase mobile, la phase stationnaire et la température exactement les mêmes, on obtiendra la même valeur \( R_f \) pour le même composant. Nous pouvons ensuite comparer les valeurs \( R_f \) à celles d'une base de données pour identifier les composants du mélange.
Affinité relative
Qu'est-ce qui détermine la vitesse à laquelle une substance remonte le long du papier ? Il s'agit de l'affinité relative.
En chromatographie, l'affinité relative décrit dans quelle mesure un composant est attiré par la phase stationnaire ou la phase mobile. Elle détermine la vitesse à laquelle le composant se déplace à travers la phase stationnaire.
Les composants ayant une plus grande affinité avec la phase mobile se déplacent plus rapidement vers le haut de la plaque que ceux ayant une plus grande affinité avec la phase stationnaire. Ils sont plus solubles dans le solvant et parcourent une plus grande distance dans un intervalle de temps donné.
Examinons de plus près les phases mobile et stationnaire de la chromatographie sur papier pour comprendre pourquoi certains composants ont une plus grande affinité avec l'une ou l'autre.
Tu te souviens que la phase stationnaire est une matrice de cellulose et d'eau ? Cela signifie qu'elle est polaire et qu'elle peut subir des forces dipôle-dipôle permanentes. Les molécules d'eau peuvent également former des liaisons hydrogène avec des substances appropriées. En revanche, la phase mobile de la chromatographie sur papier est généralement non polaire. Elle ne peut former que de faibles forces de van der Waals. Nous pouvons en déduire ce qui suit :
- Si l'un des composants du mélange d'échantillons est polaire ou contient des groupes chimiques pouvant former des liaisons hydrogène, il se liera plus fortement à la structure polaire cellulose-eau qu'au solvant non polaire. Cela signifie qu'ils ont une plus grande affinité avec la phase stationnaire et qu'ils remonteront plus lentement le long du papier. Ces composants donnent des valeurs \( R_f \) plus faibles ;
- Cependant, les composants non polaires se lient plus fortement au solvant non polaire qu'au papier polaire. Ils sont plus solubles. Ils ont donc une plus grande affinité avec la phase mobile et remontent plus rapidement le long du papier. Ces composants donnent des valeurs \( R_f \) plus élevées.
Consulte le résumé de cours Forces intermoléculaires pour en savoir plus sur les forces dipôle-dipôle permanentes, les liaisons hydrogène et les forces de van der Waals.
Méthode de chromatographie sur papier
Les détails techniques étant épuisés, comment procéder à la chromatographie sur papier ?
- Trace une ligne au crayon sur la partie inférieure d'une feuille de papier chromatographique.
- Place un point du mélange à analyser au milieu de la ligne.
- Place la feuille de papier dans un bécher rempli d'une couche peu profonde du solvant de ton choix. Veille à ce que le niveau du solvant soit inférieur au trait de crayon.
- Place un couvercle sur le bécher et laisse le solvant remonter le long du papier, entraînant avec lui les composants du mélange.
- Lorsque le niveau du solvant atteint presque le haut du papier, retire le papier du bécher et marque la position du solvant d'un autre trait de crayon. Ton chromatogramme est maintenant prêt à être analysé.
Fig. 1- Montage typique pour la chromatographie sur papier.
Quelle est l'importance, par exemple, de tracer la ligne au crayon ? Voici quelques raisons qui expliquent certaines étapes de la méthode.
Nous traçons la ligne au crayon parce que le crayon est insoluble. Il n'est donc pas entraîné par la phase mobile vers le haut du papier. Si nous utilisions de l'encre, par exemple, l'encre se dissoudrait également dans le solvant et remonterait le long du papier, ce qui produirait des résultats confus.
Le niveau de solvant doit être inférieur à la tâche de ton mélange pour éviter que la tache ne se dissolve complètement dans le solvant et ne soit emportée.
Veille également à manipuler le papier par les bords, afin d'éviter les empreintes digitales. Cela pourrait salir le papier et fausser les résultats.
Nous utilisons un couvercle pour maintenir l'environnement saturé de solvant et pour empêcher le solvant de s'évaporer. Tu peux également tapisser les parois du bécher avec du papier-filtre imbibé de solvant pour le saturer davantage.
Fig. 2- Chromatogramme de la chromatographie sur papier.
Le point d'encre a remonté le long du papier et s'est séparé en plusieurs taches. Chaque point représente un composant différent du mélange d'origine. Chaque composant se déplace sur le papier à une vitesse différente, en fonction de son affinité relative avec la phase stationnaire et de son affinité relative avec la phase mobile.
Nous pouvons maintenant utiliser ces résultats pour calculer les valeurs \( R_f \) pour chaque tache.
Calcul des valeurs \( R_f \)
Plus loin dans le résumé de cours, nous avons mentionné les valeurs \( R_f \) . Il s'agit de valeurs qui indiquent le rapport entre la distance parcourue par chaque composant et la distance totale parcourue par le solvant.
Calculons la valeur \( R_f \) pour la tache verte. La tache verte a parcouru \( 3,0 \) cm tandis que le front du solvant a parcouru \( 9,8 \ cm \) . Divise \( 3,0 \) par \( 9,8 \) pour obtenir ta réponse :
\( 3,0 \divsymbol 9,8 = 0,306 \)
Nous avons tendance à arrondir les valeurs \( R_f \) à deux décimales. Cela nous donne une réponse globale de \( 0,31 \) .
Fig. 3- Calcul des valeurs \( R_f \)
Rappelle-toi que la distance parcourue par une substance dépend de ses affinités relatives avec chacune des phases. Une substance ayant une plus grande affinité avec la phase stationnaire remontera plus lentement le long du papier et parcourra moins de distance dans un intervalle de temps donné. Cela signifie qu'elle aura une valeur \( R_f \) plus faible. En revanche, une substance ayant une plus grande affinité avec la phase mobile remontera plus rapidement le long du papier et aura une valeur \( R_f \) plus élevée.
Analyse des chromatogrammes
Les chromatogrammes nous indiquent deux choses.
- Le nombre de composants différents dans notre mélange de départ ;
- L'identité de chaque composant de notre mélange de départ.
Nombre de composants différents
N'oublie pas que chaque tache représente un composant différent du mélange de solutés d'origine. Dans notre exemple ci-dessus, nous avons trois taches différentes sur notre chromatogramme. Nous savons donc que trois substances différentes sont présentes.
Identité de chaque composant
Il existe deux façons d'identifier les substances dans un chromatogramme. Tout d'abord, lorsque tu prépares l'expérience, tu peux aussi placer un petit point d'une substance connue, comme un acide aminé particulier ou une molécule organique, sur la ligne de crayon à côté de ton point de soluté. Cette substance connue sert de molécule de référence. Elle sera également entraînée vers le haut de la plaque par le solvant, ce qui produira une tache visible. Si l'une des taches de ton mélange correspond à la tâche de la substance connue, tu sais que cette substance est présente dans ton mélange.
Cela te semble un peu confus ? Voici ce qu'il en est dans la pratique.
La tache rouge à gauche provient d'une substance connue. L'une des taches produites par notre mélange lui correspond exactement. Nous pouvons donc en déduire que le mélange contient cette substance particulière.
Mais il existe une autre façon d'identifier les composants. Nous avons également mentionné précédemment que, si les conditions sont identiques, un composant particulier produira toujours la même valeur \( R_f \) . Disons qu'un composant particulier a une valeur \( R_f \) de \( 0,4 \) . Si nous consultons une base de données, nous devrions pouvoir trouver une substance qui produit également une valeur \( R_f \) de \( 0,4 \) dans les mêmes conditions - même phase mobile, même phase stationnaire et même température. Ces deux substances sont identiques.
Utilisations de la chromatographie sur papier
La chromatographie sur papier n'est pas seulement un moyen de créer de jolis motifs colorés. Elle a un grand nombre d'utilisations différentes, dont beaucoup sont communes à d'autres techniques de chromatographie. Il s'agit notamment de :
- La séparation de mélanges. Par exemple, au début du \( 20^{ème} \) siècle, la chromatographie sur papier était largement utilisée pour séparer des extraits de plantes ;
- L'obtention de composés purs et l'élimination des impuretés ;
- L'analyse des médicaments ;
- L'analyse des eaux usées.
Avantages de la chromatographie sur papier
La chromatographie sur papier est une technique relativement simple. Elle présente toutefois des avantages :
- Elle est bon marché et facile à mettre en œuvre, avec une installation plus simple que les autres types de chromatographie ;
- Elle n'utilise que de petites quantités du mélange d'échantillons ;
- Elle peut analyser des composés organiques et inorganiques.
Cependant, comparée à d'autres techniques de chromatographie telles que la chromatographie en phase gazeuse et la chromatographie sur couche mince, la chromatographie sur papier est moins précise. C'est l'un de ses principaux inconvénients.
Chromatographie : Types
La chromatographie est une technique de séparation et d'analyse utilisée pour diviser un mélange soluble en ses composants.
Qu'est-ce que la chromatographie liquide ?
La chromatographie liquide est une technique de chromatographie analytique essentielle utilisée pour séparer, identifier et purifier les composants d'un mélange en vue d'une analyse quantitative et qualitative. En chromatographie liquide, la phase mobile est un liquide. Elle s'effectue soit dans une colonne, soit dans un plan.
On peut classer la chromatographie liquide en quatre types en fonction des composants de la chromatographie :
Chromatographie en phase gazeuse et spectrométrie de masse
La chromatographie en phase gazeuse permet de séparer les mélanges en leurs composants. Cependant, elle ne permet d'identifier ces composants que si les conditions sont normalisées. Pour de nombreuses expériences, cela n'est pas possible. En outre, certains chromatogrammes peuvent donner des résultats ambigus si les composants de l'échantillon ont des temps de rétention similaires. Pour résoudre ces problèmes, nous combinons la chromatographie en phase gazeuse avec la spectrométrie de masse.
La spectrométrie de masse est une technique utilisée pour identifier les substances en fonction de leur rapport masse/charge.
Tu as peut-être déjà entendu parler de la spectrométrie de masse, utilisée pour identifier une molécule unique en la divisant en différents fragments.
Le schéma des rapports masse/charge des fragments agit comme une empreinte chimique, nous permettant de déterminer la structure et l'identité de la molécule. Cependant, la spectrométrie de masse peut également être utilisée pour un mélange de plusieurs espèces différentes.
La combinaison de la chromatographie en phase gazeuse et de la spectrométrie de masse crée un outil d'analyse extrêmement utile appelé \( GC-MS \) . La \( GC-MS \) sépare (grâce à la chromatographie en phase gazeuse) et identifie (grâce à la spectrométrie de masse) tous les différents composés d'un échantillon.
Visite le résumé de cours Spectrométrie de masse pour en savoir plus sur la spectrométrie de masse, sa méthode et ses utilisations.
Chromatographie sur papier - Points clés
- L'analyse chromatographique a plusieurs utilisations importantes dans les industries et les laboratoires de recherches.
- La chromatographie sur papier est une technique analytique utilisée pour séparer et analyser des mélanges de substances solubles.
- Dans la chromatographie sur papier, la phase stationnaire est une feuille de papier et la phase mobile est un solvant.
- Tu peux identifier les composants dans la chromatographie sur papier en calculant leurs valeurs des facteurs de rétention \( R_f \) et en les comparant à celles d'une base de données.
- La chromatographie sur papier est moins coûteuse, simple et utilise des échantillons de petite taille.
- La chromatographie liquide est utilisée pour séparer, identifier et purifier les composants d'un mélange en vue d'une analyse quantitative et qualitative.
- La combinaison de la chromatographie en phase gazeuse et de la spectrométrie de masse crée un outil d'analyse extrêmement utile appelé \( GC-MS \) .
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