Semaine Nationale de la Chimie - Expériences - Chromatographie sur papier

Sommaire

Cette expérience nous démontre comment l’encre peut être séparée en ces composants colorés par chromatographie. Ceci est une illustration d’une importante technique utilisée dans toutes les sciences chimiques.

Matériaux:

Filtres à café (utilisé une marque dont le papier est assez épais, telle que Moulinex, ou le Kafilta filtre-cornet), tasses en plastiques, de l’eau, alcool à friction, une de plusieurs marques de stylos noirs à pointes feutrées ou encore un marqueur (ne pas utiliser plus d’une variété de marqueur "permanent", les autres doivent être de style non-permanent).

Procédure:

1. Mettre une petite quantité d’eau dans une tasse en plastique, de façon à couvrir à peine le fond de la tasse.
2. Assignez un numéro à chaque marqueur.
3. Coupez les filtres à café en longues lanières (environ 3 - 4 cm de large et 10cm de long).Coupez- les de façon à ce que le grain du papier filtre soit parallèle à la dimension de 10cm de la lanière. Pliez chaque lanière au long de la dimension de 10cm de façon a créer un pli tout le long du centre de la lanière. Identifiez chaque lanière près du bout du papier filtre le long de la dimension de 10cm: cette partie sera aussi nommée le haut du filtre. Utlisez le même système de numération que celui utilisé pour les marqueurs.
4. Prenez un marqueur noir et une lanière. Les deux doivent avoir le même numéro d’identification. Faites deux petites marques avec le marqueur environ à 2cm du bas de la lanière, une chaque coté du pli. (Il est très important de garder la grosseur des marques petites). Répétez avec un autre marqueur et une autre lanière numérotés jusqu’à ce que tous les marqueurs soit utilisés.
5. Prenez une lanière numérotée et déposez-la dans la tasse, de façon à ce que le bout de la lanière touche l’eau. Assurez vous que la marque que vous avez fait avec le marqueur reste au dessus du niveau de l’eau.
6. Observez la séparation des différentes couleurs de l’encre à fur et à mesure que l’eau migre le long de la lanière provenant du filtre à café. Enlevez la lanière de la tasse lorsque l’eau (et non les couleurs) a grimpé jusqu’à environ 2 - 3cm du haut.
7. Répétez la procédure décrite ci-haut avec tous les marqueurs. Observez les différents motifs de couleurs produits avec différents marqueurs.
8. Répétez la procédure décrite ci-haut, en remplacant l’eau dans la tasse par l’alcool à friction. Comparez les motifs de couleur produits par les différents marqueurs de même numéro avec cette procédure (i.e. avec l’expérience avec l’alcool) à ceux produits avec l’eau.

Notes:

1. Les filtres à café sont recommendés pour cette expérience puisqu’ils sont économiques et peuvent facilement être achetés. Cette expérience produit de meilleurs résultats si vous utilisez du papier chomatographique, mais ce dernier est plus couteux et plus difficile à trouver. Les marqueurs à encre noir sont recommandés puisqu’ils sont composés de plusieurs colorants dans l’encre. Les étudiants devraient être encouragés à essayer plusieurs variétés de marqueur ou de colorant à nourriture (le colorant vert fonctionne bien). Ne soyez pas déçu si des marqueurs ne produisent pas un motif de séparation de couleur fantastique.
2. L’eau s’absorbe et grimpe le long du filtre à cause d’un phénomène nommé action capillaire. C’est le même phénomène qui se produit lorsque l’arbre absorbe l’eau pour nourrir son tronc, ses branches et ses feuilles. Après tout, les filtres à café sont produits à partir d’arbres. Vous pouvez imiter l’arbre en utilisant un essui tout épais et en le roulant comme un tronc.
3. Le rôle de l’eau et de l’alcool dans cette expérience en est un de transporteur liquide; en effet, ces liquides transportent l’encre le long du filtre a café. Le terme technique pour cela est un éluant.
4. Les étudiants devraient être en mesure de faire les observations suivantes.
   1. les marques faites par les même marqueurs produisent toujours le même motif de séparation de couleur, c’est-à-dire les différentes couleurs sont dans le même ordre après la séparation. La grosseur de la marque sur le filtre original n’a aucune importance dans le motif de séparation, par contre si la marque est plus petite, le motif de séparation de couleurs est mieux défini.
   2. différentes sortes de marqueurs produisent des motifs différents de séparation.
   3. différents transporteurs liquide produisent différents motifs de séparation avec les mêmes marqueurs.
5. Vous devez démontrer aux étudiants que différents marqueurs du même paquet (même marque générique, même modèle) produisent le même motif de séparation.
6. Les motifs de séparation produits par les différentes marques géneriques de marqueurs, et différents transporteurs liquide, sont influencés par plusieurs facteurs:
   1. La composition de l’encre. Différentes compagnies utilisent une variété de teintures dans la confection de leur encre. Plusieurs varient cette procédure afin de créer des effects physiques et visuels spéciaux, ou encore pour éviter les accusations d’avoir copié les produits des autres compagnies.
   2. La solubilité de chaque composant colorant dans les transporteurs liquide: Si le colorant n’est pas soluble dans le liquide transporteur, elle ne peut pas être entrainé le long du filtre. Ceci se présente avec les marqueurs permanents et l’eau comme liquide transporteur. Puisque la plupart des encres permanentes ne sont pas solubles dans l’eau, (d’ou vient le terme permanent), la marque reste au point de départ. Puisque la majorité des encres permanentes sont plus ou moins solubles dans les produits dissolvants organiques, on peut obtenir un motif de séparation en utilisant de l’alcool à friction comme liquide transporteur.
      
      Typiquement, les colorants les plus solubles migreront plus haut le long du filtre, et celles qui sont moins solubles migreront le moins. Si un colorant est très soluble dans le liquide transporteur, il suivra le niveau de l’eau de près en montant le long du filtre. Essayer l’expérience avec une encre lavable à l’eau.
   3. La force avec laquelle l’encre adhère au papier: Un colorant qui colle fortement sur le papier ne migrera pas beaucoup pendant que l’eau montera dans le papier.
   4. La longueur du papier: La séparation des différents colorants dans le papier s’accroit si le liquide transporteur entraine l’encre sur une plus longue distance. Au début de l’expérience, les couleurs se tiennent ensemble. A mesure que le liquide transporteur monte dans le papier, la séparation devient de plus en plus complète. Notez cependant que l’ordre des couleurs ne change pas avec la distance parcourue.
7. Le professeur peut prendre un des marqueurs que les étudiants ont utilisés et placer un point sur un filtre à café. Il peut alors présenter cela aux étudiants comme un inconnu. Les étudiants auront alors la tache d’identifier quel marqueur a été utilisé pour faire le point sur le filtre à café.

   Les étudiants devront alors être capable de suivre la procédure suivante:

   1. Prendre le papier avec le marqueur inconnu, et reproduire l’expérience de chromatographie sur papier exactement de la même façon qu’avec les autres marqueurs.
   2. Observez le motif de séparation produit par l’inconnu et le comparer avec le motif produit par les marqueurs connus.
   3. Le marqueur qui produit le même motif que l’inconnu est identifié comme l’inconnu.
   4. Pour obtenir une meilleure confirmation, il est possible de chromatographier l’inconnu et un (ou plusieurs) crayon marqueur connu, en même temps, sur le même papier.
   5. Ces types d’approche et de raisonnement sont très similaires à ceux utilisés dans un domaine très important de la chimie appelé chimie analytique. La chimie analytique est la science qui consiste à déterminer la composition des substances inconnues. La chromatographie est un outil important en chimie analytique. Par exemple, cet outil peut être utilisé pour identifier l’auteur d’un crime.
8. Il y a plusieurs différents types de chromatographie. Au lieu du papier, différents produits synthétiques et minéraux sont utilisés pour améliorer la séparation des différents ingrédients du mélange. La chromatographie peut aussi être utilisée pour séparer les différents composants d’un mélange gazeux.
9. A cause de sa capacité de séparer différents composants d’un mélange, la chromatographie est aussi utilisée à grande échelle pour purifier les produits chimiques en grande quantité.

Références:

Différentes variantes de cette expérience ont été rapportées dans plusieurs livres: par exemple, dans Exploring Chemistry, vol 1, Canadian Society for Chemistry (1996), Discovering Chemistry, Canadian Society for Chemistry (1993), ou dans Chemical Activities, by C.L. Borgford and L.R. Summerlin, American Chemical Society, Washington, (1988). L’expérience a aussi été modifiée par différents coordonnateurs de la Semaine Nationalee de la Chimie pour illustrer différents aspects de cette technique.