De tout temps, l'Homme a cherché à extraire des pigments ou des colorants pour représenter le monde qui l'entoure. Aujourd'hui, certaines de ces substances sont aussi synthétisées par les chimistes. Il est possible de faire un lien entre la structure d'une molécule et la couleur qu'elle donnera à un milieu et aussi de comprendre l'influence de certains paramètres sur cette couleur. La loi de Beer-Lambert lie l'absorbance d'une solution colorée à la concentration de l'espèce colorée dissoute, permettant de doser cette dernière.
Les pigments et les colorants
Définitions
Les molécules responsables des couleurs de la matière sont classées en deux catégories suivant leur solubilité dans le milieu qu'elles colorent.
Pigment
Un pigment est une substance responsable de la couleur d'un milieu dans lequel elle est insoluble.
L'indigo est la molécule utilisée pour teindre les jeans. Étant insoluble dans l'eau, c'est un pigment.
Colorant
Un colorant est une substance responsable de la couleur d'un milieu dans lequel elle est soluble.
La plupart des sirops de menthe contiennent des molécules dont le but est de leur donner la couleur verte attendue. Les sirops étant homogènes, il s'agit de colorants.
Obtention des espèces colorées
Les pigments et les colorants peuvent être extraits d'une substance naturelle ou être synthétisés par des chimistes.
| Extraction | Synthèse | |
|---|---|---|
| Les grandes étapes | Expression : par hachage dans un solvant, hydrodistillation, etc. | Transformation : mélange des réactifs, chauffage à reflux, etc. |
| Séparation : par extraction par solvant, par filtration, etc. | Traitement : séparation, purification. | |
| Identification : par mesure d'une caractéristique physique (températures de changements d'état, indice de réfraction, densité), par chromatographie, etc. | ||
L'indigo peut être extrait d'une plante, l'indigotier, ou synthétisé à partir de produits chimiques, ce qui permet de diminuer son prix de revient.
La structure moléculaire des pigments et des colorants
Les molécules organiques
Depuis la Préhistoire, l'Homme a cherché des matières colorées qu'il pouvait utiliser. Assez vite, il a su les extraire des plantes ou des animaux. Ces substances ayant pour origine des organismes vivants sont qualifiées d'organiques.
Molécule organique
Une molécule organique est une molécule contenant principalement les éléments hydrogène (H) et carbone (C).
La formule brute de l'indigo est \ce{C16H10N2O2}, c'est bien une molécule organique.
De nos jours, à des fins économiques ou écologiques, les chimistes parviennent à synthétiser des substances organiques jusqu'alors extraites de la nature.
La représentation topologique des molécules
Les molécules organiques étant constituées d'un enchaînement important de liaisons carbone - carbone et de nombreuses liaisons carbone - et hydrogène, leur écriture est facilitée en utilisant la représentation topologique.
Représentation topologique
La formule topologique est une représentation simplifiée des molécules organiques dans laquelle les atomes de carbone et les atomes d'hydrogène auxquels ils sont liés ne sont pas représentés.
- Les liaisons carbone - carbone sont représentées par des segments.
- Les doubles liaisons sont représentées par des doubles segments.
- Seuls les atomes d'hydrogène portés par d'autres atomes que les atomes de carbone (hétéroatomes) sont représentés, les atomes de carbone en portant autant que nécessaire pour établir au total 4 liaisons covalentes.
La formule topologique donne une indication de la géométrie des molécules en respectant les angles entre les liaisons.
Les autres atomes (hétéroatomes) sont inscrits avec les éventuels atomes d'hydrogène qu'ils portent.
Formules semi-développée et topologique du pentan-3-ol :
Formule semi-développée du pentan-3-ol
Représentation topologique du pentan-3-ol
Formules semi-développée et topologique du benzène :
Formule semi-développée du benzène
Représentation topologique du benzène
Les groupes chromophores et auxochromes
Groupe chromophore
Dans une molécule colorée, les groupes chromophores sont les groupes d'atomes responsables de la couleur : \ce{-C=N}\ce{-}, \ce{-N=N}\ce{-}, \ce{-C=C}\ce{-C=O}, etc.
L'azobenzène doit sa couleur jaune à son groupe \ce{-N=N}\ce{-}.
Représentation topologique de l'azobenzène
Groupe auxochrome
Dans une molécule colorée, les groupes auxochromes sont les groupes d'atomes pouvant modifier la longueur d'onde absorbée par la molécule : \ce{-Cl}, \ce{-OH}, \ce{-OCH3}, \ce{-NH2}, etc.
La différence de couleur entre l'anthraquinone (jaune) et l'alizarine (rouge) est due à deux groupes hydroxyles -OH.
Représentation topologique de l'anthraquinone (jaune)
Représentation topologique de l'alizarine (rouge)
Les liaisons doubles conjuguées
Liaisons doubles conjuguées
Deux liaisons doubles séparées par une seule liaison simple sont dites conjuguées.
Le déca-1,3,5,7,9-pentaène comporte 5 liaisons doubles conjuguées :
Représentation topologique du déca-1,3,5,7,9-pentaène
En l'absence de groupes chromophores, une molécule organique qui est constituée d'une alternance ininterrompue d'au moins 7 liaisons doubles conjuguées est colorée.
En solution aqueuse, la vitamine A, qui contient 5 liaisons doubles conjuguées, n'est pas colorée, alors que le \beta -carotène qui en contient 11 donne une couleur orange.
Représentation topologique de la vitamine A
Représentation topologique du \beta -carotène
Les paramètres influençant la couleur d'un matériau
La couleur que confère une espèce chimique à un milieu peut dépendre de plusieurs paramètres :
- Le pH : l'espèce peut alors servir d'indicateur de pH
- Le solvant
- La température
La couleur d'une solution de bleu de bromothymol dépend du pH :
- Jaune pour un pH inférieur à 6,0
- Vert pour un pH compris entre 6,0 et 7,6
- Bleu pour un pH supérieur à 7,6
Dissous dans l'eau, le diiode donne une couleur marron, alors que dissous dans le cyclohexane, il donne une couleur rose.
Par chauffage, une ocre jaune peut devenir rouge.
La détermination de la concentration d'un colorant en solution
L'absorbance d'une espèce colorée en solution
Une solution est colorée si elle absorbe une partie des radiations visibles. Sa couleur perçue résulte alors de la superposition des radiations non absorbées et correspond à la couleur complémentaire de celle absorbée (sa détermination peut être faite en utilisant le cercle chromatique).
Une solution de permanganate de potassium absorbe les radiations vertes, elle est donc perçue magenta.
Absorption d'une solution de permanganate de potassium
Cercle chromatique
Absorbance
L'absorbance d'une solution caractérise son aptitude à absorber une radiation de longueur d'onde donnée. Elle se note A et n'a pas d'unité.
Pour une longueur d'onde donnée :
- Une valeur A = 0 signifie que la solution est complètement transparente : la radiation incidente n'est pas du tout absorbée.
- Une valeur A = 1 signifie que 90% de l'énergie lumineuse de la radiation incidente est absorbée.
L'absorbance d'une solution se mesure avec un spectrophotomètre. Il est nécessaire de saisir la longueur d'onde à laquelle on souhaite effectuer la mesure.
Spectre d'absorption
Le spectre d'absorption d'une solution est le graphique représentant son absorbance en fonction de la longueur d'onde.
Spectre d'absorption d'une solution de permanganate de potassium
L'étude du spectre d'absorption d'une solution permet de déterminer la longueur d'onde \lambda_{max} pour laquelle l'absorbance est maximale.
L'absorbance d'une solution de permanganate de potassium est maximale à la longueur d'onde \lambda_{max} = 520 nm.
La loi de Beer - Lambert
Loi de Beer - Lambert
L'absorbance A d'une espèce chimique en solution diluée est proportionnelle à sa concentration molaire C :
A = k_{\left(L.mol^{-1}\right)} \times C_{\left(mol.L^{-1}\right)}
Le coefficient de proportionnalité k est égal au produit du coefficient d'extinction molaire \varepsilon (qui dépend de l'espèce, du solvant, de la température et de la longueur d'onde) et de l'épaisseur de la solution traversée l.
k_{\left(L.mol^{-1}\right)} = \varepsilon_{\left(L.mol^{-1}.cm^{-1}\right)} \times l_{\left(cm\right)} \Rightarrow A = \varepsilon_{\left(L.mol^{-1}.cm^{-1}\right)} \times l_{\left(cm\right)} \times C_{\left(mol.L^{-1}\right)}
La concentration d'une solution est C = 2{,}5 \times 10^{-2} mol.L-1 et, pour la longueur d'onde considérée, le coefficient k vaut 19,3 L.mol-1. L'absorbance de la solution est alors :
A = k \times C = 19{,}3 \times 2{,}5 \times 10^{-2} = 0{,}48
La loi de Beer - Lambert est valable pour des concentrations de l'ordre de 10-2 mol.L-1 maximum.
Le dosage spectrophotométrique par étalonnage
La loi de Beer - Lambert permet de doser une espèce chimique colorée.
Dosage
Un dosage est une méthode de détermination de la concentration d'une espèce chimique en solution.
Les analyses de sang indiquent le dosage de plusieurs espèces chimiques dans le sang.
L'étalonnage consiste à établir la relation entre l'absorbance A et la concentration C de l'espèce étudiée en solution. Pour cela :
- Régler le spectrophotomètre sur la longueur d'onde \lambda_{max} qui correspond au maximum d'absorption du spectre de la solution étudiée (à cette longueur d'onde, la valeur de l'absorbance étant plus grande, l'incertitude sur la mesure est plus faible).
- Mesurer l'absorbance A d'une série de solutions de concentrations connues ("solutions étalons").
- Construire la courbe d'étalonnage : c'est le graphique représentant l'absorbance A en fonction de la concentration C des solutions étalons, c'est une droite passant par l'origine, représentation d'une fonction linéaire, la loi de Beer - Lambert est donc bien vérifiée : A = k \times C.
Courbe d'étalonnage d'un dosage spectrophotométrique
Pour déterminer la concentration Cinc de la solution inconnue, on mesure son absorbance Ainc, ensuite :
- Soit on effectue une détermination graphique en reportant la valeur de Ainc sur la courbe d'étalonnage.
Détermination graphique de la concentration d'une espèce colorée en solution
- Soit on détermine le coefficient directeur k de la courbe d'étalonnage et on détermine Cinc en utilisant la loi de Beer - Lambert.
Détermination de la concentration d'une espèce colorée à partir de la loi de Beer - Lambert
Le coefficient directeur de la droite d'étalonnage suivante est :
k = \dfrac{A_{B} - A_{A}}{C_{B} - C_{A}} = \dfrac{0{,}90 - 0}{0{,}050 - 0} = 18 L.mol-1.
D'après la loi de Beer - Lambert :
A = k \times C \Rightarrow C = \dfrac{A}{k}
Si l'absorbance mesurée de la solution inconnue est Ainc = 0,40, sa concentration est alors :
C_{inc} = \dfrac{A_{inc}}{k} = \dfrac{0{,}40}{18} = 0{,}022 mol.L-1.
Lors d'un dosage spectrophotométrique, on peut aussi bien employer des concentrations molaires (en mol.L-1) que des concentrations massiques (en g.L-1).