CENTRIFUGATION

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Particules soumises à un champ centrifuge

En l'absence d'agitation, des particules dispersées dans un fluide sont soumises, d'une part, aux forces de pesanteur qui tendent à les faire se rassembler au fond du récipient et, d'autre part, à la poussée d'Archimède qui tend à les faire remonter à la surface : le mouvement des particules dépend donc de l'intensité relative de ces forces. Si elles sont égales, les particules flottent, si la pesanteur l'emporte, les particules sédimentent, et cela d'autant plus vite que leur différence de densité avec le milieu de dispersion est grande.

Sous l'effet d'une agitation, la concentration du milieu en particules dispersées est homogénéisée et la sédimentation n'a pas lieu.

Des particules dont les dimensions sont inférieures à 2 micromètres peuvent ne pas décanter, et leurs dispersions apparaissent homogènes à l'échelle macroscopique. On a alors des solutions colloïdales ou sols. Les suspensions peuvent être des petits grains de matériaux massiques, des cellules, des virus, des bactéries, des macromolécules comme les protéines, etc. La dispersion est maintenue macroscopiquement homogène, grâce à l'agitation thermique du milieu, appelée mouvement brownien.

Il est possible de rendre l'action de l'agitation thermique négligeable devant les autres forces et de permettre aux particules de sédimenter. Il suffit pour cela d'accroître de manière considérable le champ de pesanteur en soumettant la solution à l'action d'un champ centrifuge de grande intensité, créé dans un appareil en rotation à grande vitesse.

Le flux de particules est alors la vitesse du transport de masse à travers une surface unitaire. Ce flux, noté J, est proportionnel à la concentration en particules C, à leur mobilité B et à la somme des forces appliquées ΣFk. Il est donné par la formule :

L'inventaire des forces appliquées sur les particules Σ Fk permet de rendre compte de kleur comportement dans un champ de forces centrifuges. Différents types sont en présence :

– Des forces centrifuges Fc, qui créent la sédimentation. Elles dépendent de la vitesse angulaire de rotation ω et de la distance r à laquelle les particules de masse m se trouvent de l'axe de rotation :

– Des forces qui s'opposent à la sédimentation, par exemple : la poussée d'Archimède Fa qui dépend de la masse volumique du milieu de dispersion ρ0 et de celle des particules ρ1 :

– Des forces de diffusion Fd. Lorsque les particules sédimentent, leur concentration diminue à la surface pour s'accroître au fond de la cellule. Un gradient de concentration ∂c/∂r s'établit, et les substances ont tendance à migrer vers la surface pour égaliser les concentrations. D est le coefficient de diffusion :

– Des forces coulombiennes. Si les particules sont chargées électriquement, les particules de charge positive migrent différemment de celles de charge négative ; ainsi se crée un champ électrique. Ces forces peuvent être rendues négligeables par addition d'un électrolyte.

Le flux résultant est donc égal à :

Cette équation générale peut être résolue en tenant compte des conditions expérimentales particulières. Si le système est maintenu très longtemps en rotation à vitesse constante, il arrive un instant où le flux résultant est nul. On est alors à l'équilibre de sédimentation. Au-delà de cet instant, quel que soit le temps de rotation, la répartition des particules à l'intérieur de la cellule n'est plus modifiée. Connaissant la concentration C des particules à plusieurs distances de l'axe de rotation r, on peut déterminer la masse molaire M des particules par :

où T est la température de la dispersion et R la constante des gaz parfaits.

Si l'expérience est réalisée à grande vitesse, la diffusion est négligeable devant les autres forces. Les particules sédimentent alors librement, appauvrissant la dispersion en surface pour créer une zone de solvant pur sans particule. La frontière entre la zone de solvant pur et la dispersion est appelée front de sédimentation. Elle se déplace vers le fond, d'autant plus vite que la masse des particules est grande, que leur masse volumique est supérieure à celle du solvant et que le champ de forces centrifuges est à grande vitesse de rotation. On définit un coefficient de sédimentation S, caractéristique du couple particule-solvant à une température donnée. Il est égal [...]

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Concentration de particules lors d'une ultracentrifugation analytique

Concentration de particules lors d'une ultracentrifugation analytique
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Ultracentrifugation analytique

Ultracentrifugation analytique
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Écrit par :

  • : professeur de chimie à l'université de Paris-VI-Pierre-et Marie-Curie, docteur ès sciences

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Pour citer l’article

Jean LEMERLE, « CENTRIFUGATION », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 février 2023. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/centrifugation/