Silices sphériques et silices irrégulières : quelles différences ?


Structure des silices

Les silices, utilisées en chromatographie liquide, se partagent en deux grandes catégories :

  • Les silices dont les particules sont irrégulières
  • Les silices dont les particules sont sphériques

Si les premières sont encore largement utilisées dans le domaine de la purification par chromatographie Flash ou à l’échelle industrielle, les secondes sont aujourd’hui le standard absolu pour l’analyse par (U)HPLC.

Mais quels sont leurs avantages ou leurs inconvénients ?
Pourrait-on indifféremment les intervertir dans leur usage respectif ?

Pour répondre, examinons d’abord la structure de la silice.
Chimiquement elle se compose d’atomes de silicium et d’oxygène. Chaque atome de silicium est tétravalent et lié à des atomes d’oxygène. La structure générale peut se représenter ainsi :

Composition chimique de la silice

 

Formes des silices

Qu’elles soient de forme irrégulière ou sphérique, les silices les plus courantes conservent cette structure chimique. Lors de leur synthèse, les procédés mis en œuvre conduisent à la réalisation de particules aux formes qui nous intéressent.
Les silices sphériques ressemblent à de petites billes poreuses alors que les particules irrégulières sont assimilables à de petits cailloux eux aussi poreux.

Formes des silices

 

Caractéristiques physico-chimiques

Ces silices se caractérisent par des valeurs chimiques et physiques qui leur confèrent des propriétés spéciales indispensables pour séparer des composés chimiques aux structures très variées.

Physiques

• Géométrie (irrégulière, sphérique)
• Granulométrie ou taille des particules (dp en µm)
• Diamètre des pores (Angström)
• Volume poreux (mL/g)
• Surface spécifique (m2/g)
  

Chimiques

• Nature et type du greffage
• % Couverture (% carbone, taux de couverture µmol/m2)
• Type de silice (pure ou non)

 

Empilement des silices dans une colonne

Une colonne Flash, (U)HPLC ou préparative remplie avec ces silices sera plus ou moins efficace selon la granulométrie des particules. On estime au mieux qu’un plateau (étage de séparation) ne peut être inférieur au diamètre de la particule de silice. En conséquence, plus la particule est petite, plus on a de « plateaux » dans la colonne. Dans l’exemple ci-dessous, quel que soit le modèle théorique, on déduit que des particules de 15 µm présenteront un empilement 2 fois plus compact que des particules de 30 µm.

Les silices irrégulières présentent, comme leur nom l’indique, des formes indéfinies pour lesquelles il est difficile de mesurer le diamètre moyen. De plus, leur empilement est désordonné et abouti à une compacité beaucoup plus faible que les silices sphériques. Enfin, ces silices contiennent en général de nombreuses « fines », c’est-à-dire de petites fractions qui peuvent passer à travers les frittés des colonnes.

L’arrangement des silices sphériques est bien supérieur aux silices irrégulières. L’écoulement des solvants à travers la colonne suit un chemin plus linéaire. Les familles d’analytes sont moins dispersées et sortent de la colonne dans un volume de solvant plus faible. On observe des pics plus fins et plus gaussiens.

Empilement de la silice

Conclusion

On comprend donc aisément l’intérêt des silices sphériques pour qui cherche une séparation plus efficace. Les silices de plus petites granulométries offrent la possibilité de réduire les longueurs des colonnes et donc le temps d’élution tout en conservant une bonne séparation.

Pour l’analyse et la quantification modernes, l’usage des silices sphériques est une évidence. Pour la purification, il faut trouver le meilleur compromis entre le prix de l’adsorbant et le rendement de séparation.

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