TP 25 - Utilisation de la chromatographie ionique

CHROMATOGRAPHIE IONIQUE - THEORIE
1- INTRODUCTION

Le terme « chromatographie » désigne une multiplicité de procédés de séparation physicochimiques caractérisés par la répartition du composant en séparation entre une phase stationnaire et
une phase mobile. Les différentes méthodes chromatographiques se classent selon l’état physique de
ces deux phases :
Phase mobile
Gazeuse
Phase stationnaire
Liquide
GLC
Liquide
G : Gaz

LLC
L : Liquide
Solide
GSC
Chromato. en phase gazeuse
LSC ( HPLC)
Chromato. en phase liquide
S : Solide
C : Chromatographie
La chromatographie en phase liquide, depuis l’introduction de la chromatographie en phase
liquide de haute performance (HPLC) à la fin des années 60, est devenue une des méthodes
analytiques instrumentales les plus importantes et universelles. On distingue les méthodes suivantes,
selon la polarité des phases stationnaires et mobiles :
Polarité de la
phase stationnaire
ionique
1 Chromatographie
en phase normale
4
2 Chromatographie
en phase inverse
polaire
3 Chromatographie
ionique par paires
d’ions
1
2
non polaire
4 Chromatographie
ionique
3
Polarité de la phase mobile
non polaire

polaire
ionique
La chromatographie ionique, présentée pour la première fois en 1975, est devenue en peu de temps
une technique d'analyse indépendante qui comprend aujourd'hui toutes les méthodes HPLC de saisie
d'ions inorganiques ou organiques. La technique prépondérante consiste à combiner une colonne
échangeuse d'ions avec un capteur de conductivité. On en connaît deux variantes :
-
La technique avec suppresseur chimique ( parfois appelée technique à deux colonnes) supprime
la conductivité de fond à la fois par voie chimique (avec le suppresseur) et par voie électronique.
La technique à une seule colonne (il faut comprendre sans suppresseur chimique), au contraire,
réalise une très faible conductivité de fond, directement supprimable électroniquement en
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utilisant des éluants à base de sels d’acides organiques liés à des échangeurs d’ions de faible
capacité.
2- LES ELEMENTS DE LA CHROMATOGRAPHIE IONIQUE
injecteur
colonne de
séparation
IC
détecteur
pompe
697 IC
rejets
ou
enregistreur
intégrateur
éluant
Schéma de principe du système de chromatographie ionique
Intégrateur ou enregistreur sont remplacés maintenant par un logiciel qui pilote le système
chromatographique, qui permet l’acquisition des chromatogrammes et l’exploitation de ceux-ci.
2-1 Phases mobiles
La phase mobile est un électrolyte.
2-2 Phases stationnaires
a) Copolymères de synthèse
b) Silices greffées
Le gel de silice présente des fonctions silanols :
Si
OH
On met à profit la réactivité de ces groupes fonctionnels pour fixer des molécules organiques par
des liaisons covalentes ; on fixe ainsi des chaînes alkylphényles substituées par des groupes
sulfonés ou des groupes ammonium quaternaire : [Silice – R’ – NR3+ ]OH-.
c) Résines pelliculaires
Un polymère (latex) est déposé sous forme de minuscules sphères (0,1 à 0,2 m de diamètre) sur
des microsphères de silice, de verre ou de polystyrène de 25 à 50 m de diamètre : le latex forme
ainsi sur chaque microsphère de verre ou de polystyrène, une pellicule de 1 à 2 m d’épaisseur.
Le latex résulte de la copolymérisation de deux monomères insaturés tels que par exemple le
buta-1,3-diène et l’acide maléïque :
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COOH
COOH
Les doubles liaisons restantes permettent de durcir le matériau par réticulation.
2-3 Détecteur à conductivité
La détection des ions se fait par mesure de conductivité ; lorsqu’un ion est élué, il remplace l’ion de
même signe de l’éluant et la conductivité augmente (pic +) ou diminue (pic -).
La sensibilité de la détermination dépend de la différence entre la conductivité molaire limite par mol
de charge de l’ion sous analyse et celle de l’ion (dont la charge est de même signe) de l’éluant ; il faut
donc que l’ion éluant est une faible conductivité.
Lorsque ce n’est pas le cas, on utilise un suppresseur chimique; le suppresseur est situé à la sortie de la
colonne avant le système de mesure de conductivité.
Le principe du suppresseur chimique dépend de l’éluant utilisé ; avec un éluant hydrogénocarbonate
de sodium ou carbonate de sodium, les ions Na+ (et plus généralement tous les cations de l’échantillon
accompagnant les anions) sont remplacés dans le suppresseur chimique par des ions H + (régénérant :
solution d’acide sulfurique) et H+ + HCO3-  CO2 + H2O ou 2 H+ + CO32-  CO2 + H2O ; on obtient
de l’acide carbonique faiblement dissocié qui donne une très faible conductivité dite « résiduelle ».
La suppression chimique a pour conséquence :
 Une augmentation de la « réponse des analytes » soit une meilleure sensibilité ; il y a globalement
augmentation du rapport signal/bruit.
 Une élimination des contre-ions de l’échantillon ; ces contre-ions donneraient en début de
chromatogramme (ils ne sont pas retenus par la phase stationnaire) un large pic positif ; avec la
suppression chimique, on observe en début de chromatogramme un petit pic négatif dû à l’eau
générée par la suppression des contre-ions ; le pic est négatif car la conductivité de l’eau est
inférieure à la conductivité résiduelle de « l’éluant suppressé ».
La surface du pic de l’ion analysé (déterminée par intégration) est proportionnelle à la quantité d’ions
présents dans l’échantillon.
3- PRINCIPE DE LA SEPARATION
Les ions présents dans l’échantillon sont entraînés par la phase mobile liquide ionique (éluant) et
séparés par effet de leurs interactions avec les sites ioniques de la phase stationnaire (colonne
échangeuse d’ions).
Lorsqu’un échantillon contenant un ion A- est entrainé par l’éluant, une suite d’échanges réversibles se
produit :
R+E- (résine) + A-
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R+A- + E-
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L’ion A- progresse dans la colonne selon le mécanisme suivant :
E-
E-
-
A
E-
E-
E-
-
A-
E
E
E-
E-
E-
E-
A-
E-
E-
E-
E-
E-
E-
A-
E-
EE-
Dans le cas d’un mélange, chaque anion subit cette succession d’équilibres : la vitesse de progression
de l’anion dépend de K AE . Plus cette constante est grande, plus l’anion est retenu par la résine, plus sa
vitesse de progression le long de la colonne est petite et plus le temps de rétention est grand.
A 

E 

K
A
E
ré sin e

ré sin e
x E   solution
x A   solution

KA
KE
KA et KE sont les coefficients de distribution (de partage ionique ici) de chacune des espèces entre
phase stationnaire et phase mobile.
KA 
mol de A par gramme de phase stationnaire
mol de A par millilitre de phase mobile
4- LES PARAMETRES DE LA SEPARATION
Efficacité
Capacité
Sélectivité
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Résolution :
Pour traduire la plus ou moins bonne séparation entre deux pics, on utilise le facteur de résolution R :
R=




t R2  t R1
distance séparant les sommets des 2 pics
= 2
moyenne des largeurs à la base des pics
2  1
si R < 1 ; la résolution est mauvaise
si 1 < R < 1, 5 ; la résolution est acceptable
si 1,4 < R < 1,6 ; la résolution est optimale
si R > 1,6 ; la résolution est inutilement trop bonne, le temps d’analyse est rallongé.
Efficacité d’une colonne de chromatographie :
L’efficacité est une mesure de la dispersion à travers le système chromatographique ; elle dépend
entièrement de la qualité de la fabrication de la colonne.
Une efficacité élevée se traduit par des pics très fins.
Elle est exprimée pour chaque soluté, dans des conditions opératoires données, par le nombre de
plateaux théoriques Nth :
N th =
t R2
2
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2
soit
 tR 
 tR 
N th = 16   ou N th = 5,54  


2
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 : largeur du pic à la base, défini comme la distance entre les points d’intersection des tangentes
inflexionnelles avec la ligne de base ( = 4 )
1/2 =  : largeur du pic à mi-hauteur (    5,54  2,36   )
Efficacité réelle :
Lorsqu’on veut comparer les performances de différentes colonnes vis-à-vis d’un même composé, on
remplace dans les expressions précédentes le temps de rétention par le temps réduit tR’ = tR - tM. Les
expressions deviennent :
2
2
 t 'R 
 t 'R 
N eff = 2 soit N eff = 16   ou N eff = 5,54  



L
Remarque : HEPT =
avec HEPT : hauteur équivalente à un plateau théorique
N th
t R'2
et L : longueur de la colonne
Sélectivité :
Elle est liée à la thermodynamique de l’échange : cf principe de la séparation ci-dessus.
C’est le rapport des temps réduits pour deux constituants (1) et (2)
t 'R2
 = ' avec   1
t R1
Les facteurs qui modifient la sélectivité sont :
 La phase stationnaire : nature et taille des particules, nature des groupes fonctionnels.
 La phase mobile : nature, concentration, pH …
 La température.
Capacité :
La capacité est directement lié au nombre de sites échangeurs d’ions disponibles dans la phase
stationnaire ; si la capacité est faible, les composés sont peu retenus ; par contre une capacité élevée
permet d’optimiser les séparations mais les temps d’analyses peuvent devenir très longs et les pics
deviennent aussi plus larges.
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