LES SUBSTANCES ORGANIQUES COLORÉES

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1 hapitre 5 LES SUBSTAES ORGAIQUES OLORÉES A. Le programme otions et contenus Molécules organiques colorées : structures moléculaires, molécules à liaisons conjuguées. Indicateurs colorés. Liaison covalente. ompétences attendues Savoir que les molécules de la chimie organique sont constituées principalement des éléments et H. Reconnaître si deux doubles liaisons sont en position conjuguée dans une chaîne carbonée. Établir un lien entre la structure moléculaire et le caractère coloré ou non coloré d une molécule. Repérer expérimentalement des paramètres influençant la couleur d une substance (ph, solvant,etc.). Décrire à l aide des règles du «duet» et de l octet les liaisons que peut établir un atome (,, O, H) avec les atomes voisins. Recueillir et exploiter des informations sur les colorants, leur utilisation dans différents domaines, et les méthodes de détermination des structures (molécules photochromes, indicateurs colorés, peintures, etc.). ommentaires e chapitre sur les molécules organiques est abordé à travers le thème de la couleur. La découverte du lien qui existe entre la structure et la couleur des substances organiques est le prétexte à un rappel sur les règles du duet et de l octet pour les atomes rencontrés en chimie organique. Un rappel et un approfondissement, serait-on tenté d ajouter, tant l angle avec lequel ces règles sont vues dans ces deux classes est différent. En 2 de, les règles du duet et de l octet étaient présentées dans le but de prévoir la formule de l ion monoatomique formé par un élément de numéro atomique Z 20. En 1 re S, ces règles servent à justifier le nombre de liaisons covalentes formées par les atomes,, O et H. Se limiter à ces éléments permet d éviter les cas d hypo et hypervalence. 44 LIVRE DU PROFESSEUR 5908_LDP_05.indd 1 13/09/11 15:51:36

2 B. La démarche adoptée dans le manuel inq compétences sont traitées dans ce chapitre. ous avons choisi de proposer quatre activités (trois activités documentaires et une activité expérimentale) afin que les élèves puissent acquérir toutes ces compétences. L enseignant a toute liberté pédagogique de les mettre en œuvre pendant le cours ou en travaux pratiques.. ommentaires sur les activités et documents proposés Évaluer les acquis de 2de p. 92 L objectif est ici de rassembler les connaissances acquises en seconde en analysant la formule semi-développée de la mélanine. Les notions d atome, molécule, liaisons simple et double sont abordées et évaluées. Réponses aux questions Une molécule est un édifice électriquement neutre constitué d atomes liés par des liaisons covalentes. Sa formule semi-développée indique l enchaînement des atomes et le nombre de liaisons covalentes qu ils forment. Les tirets reliant les atomes entre eux modélisent des liaisons chimiques. Les atomes d hydrogène H forment 1 liaison, les atomes de carbone 4 liaisons, les atomes d azote 3 liaisons et les atomes d oxygène O 2 liaisons. Interpréter une expérience p. 92 Une démarche d investigation autour du jus de chou rouge est proposée aux élèves, afin qu ils recherchent le paramètre qui influe sur sa couleur. Répartir le jus de chou rouge dans plusieurs béchers. Ajouter des produits acides (jus de citron, vinaigre), neutres (eau de Volvic, eau de Volvic et gros sel sans magnésie) et basiques (liquide vaisselle, savon de Marseille, poudre pour lessive, eau et sel fin avec magnésie). Les mesures de ph permettent de dresser une échelle couleur-ph : Rouge Violet Bleu Vert Jaune itron-vinaigre ph Jus de chou Eau Liquide Poudre lessive Gros sel vaisselle omplément : le doc. 14 p. 99 donne la formule semi-développée de la cynanidine, une espèce chimique contenue dans le chou rouge. La cyanidine est un indicateur coloré de ph (voir exercice 23 p. 109). Interprétation attendue La couleur du jus de chou rouge dépend du ph du milieu dans lequel il se trouve. 5. LES SUBSTAES ORGAIQUES OLORÉES _LDP_05.indd 2 13/09/11 15:51:37

3 Activité 1 p. 94 Réponses aux questions 1. a. Acide formique : fourmi ; acide citrique : citron ; caféine : café ; aspirine : médicament ; urée : urine ; carotène : carotte. b. Une molécule organique n est pas nécessairement d origine naturelle. Elle peut être synthétique (exemple : acide acétylsalicylique, ou aspirine). 2. Les molécules organiques contiennent à la fois les éléments carbone et hydrogène. e critère semble suffisant pour les distinguer des molécules inorganiques. 3. Une molécule organique est principalement composée d atomes de carbone et d hydrogène. 4. a. Dans la molécule d indigo, quatre doublets liants entourent chaque atome de carbone. b. Un doublet liant pour l atome d hydrogène. Trois doublets liants et un doublet non liant pour l atome d azote. Deux doublets liants et deux doublets non liants pour l atome d oxygène. 5. a. On a : atome isolé de carbone : (K) 2 (L) 4, 4 électrons externes. Avec 4 liaisons formées, le nombre total d électrons externes de l atome de carbone au sein d une molécule est alors : = 8. atome isolé d azote : (K) 2 (L) 5, 5 électrons externes. Avec 3 liaisons formées, le nombre total d électrons externes de l atome d azote au sein d une molécule est alors : = 8. atome isolé d oxygène O : (K) 2 (L) 6, 6 électrons externes. Avec 2 liaisons formées, le nombre total d électrons externes de l atome d oxygène au sein d une molécule est alors : = 8. b. Les atomes tendent à acquérir la structure électronique du gaz noble le plus proche. ette structure comporte deux électrons externes dans le cadre de la règle du duet, et huit électrons externes dans le cas de la règle de l octet. Les atomes, et O de la molécule d indigo respectent la règle de l octet. Les atomes H respectent la règle du duet. c. Un atome respecte la règle du duet s il est entouré par un doublet. Il respecte la règle de l octet s il est entouré par quatre doublets. 6. Un atome de carbone forme quatre liaisons covalentes voisins : ; 3 voisins : ; 4 voisins :. Activité 2 p. 95 Réponses aux questions 1. Les molécules de β-carotène et de vitamine A contiennent des atomes de carbone et d hydrogène, elles sont donc organiques. 2. a. Toutes les liaisons doubles = sont conjuguées dans la molécule de vitamine A, car elles sont séparées deux à deux par une liaison simple. b. La vitamine A contient 5 liaisons doubles = conjuguées successives. c. Le β-carotène contient 11 liaisons doubles = conjuguées successives. 3. La chaîne carbonée du β-carotène est plus longue que celle de la vitamine A. 46 LIVRE DU PROFESSEUR 5908_LDP_05.indd 3 13/09/11 15:51:37

4 4. a. La phénolphtaléine sous sa forme (2) absorbe vers 550 nm (dans le vert). b. La couleur de la phénolphtaléine est donc la couleur complémentaire du vert : elle apparaît magenta (rose-violet). 5. La forme (1) de la phénolphtaléine contient au maximum 4 liaisons doubles conjuguées. Sa forme (2) en contient Les longueurs des chaînes carbonées des formes (1) et (2) sont équivalentes : le paramètre pertinent pour la détermination du caractère coloré ou non est donc la présence de liaisons doubles conjuguées. La forme (2) est colorée car elle contient un plus grand nombre de liaisons doubles conjuguées que la forme (1). 7. La présence d un nombre suffisamment grand de liaisons doubles conjuguées successives au sein d une molécule organique est à l origine de la couleur de la substance dans laquelle elle se trouve. Activité 3 p. 96 ette activité permet aux élèves de repérer plusieurs facteurs (solvant, ph) influant sur la couleur de solutions aqueuses d hélianthine et de MOED. La deuxième partie de l activité, à travers des expériences menées avec différentes solutions de BBT et de phénolphtaléine, et une réflexion menée sur leur intérêt au laboratoire, introduit la notion d «indicateur coloré». Réponses aux questions 1. La couleur des solutions d hélianthine dépend du ph. La couleur d une solution de MOED dépend du solvant. 2. L hélianthine est un «indicateur coloré de ph» car sa couleur en solution permet d évaluer le ph du milieu (inférieur à 3, entre 3 et 4 ou supérieur à 4). 3. La couleur du MOED est rouge lorsqu il est dissous dans le propan-2-ol et jaune dans l acétonitrile. Par synthèse soustractive, la couleur du MOED dans un mélange de ces deux solvants organiques serait rouge orangé. 5. Le bleu de bromothymol est jaune lorsque le ph du milieu est inférieur à 7, et bleu lorsqu il est supérieur à 7. La phénolphtaléine est incolore lorsque le ph du milieu est inférieur à 9, et rose lorsqu il est supérieur à es indicateurs permettent de situer un domaine de ph, mais pas d obtenir une valeur précise. 7. Un indicateur coloré fournit une information rapide sur le domaine de ph d une solution. Activité 4 p. 97 ette activité, documentaire, aborde des questions d actualité autour de l utilisation de colorants dans l industrie agro-alimentaire. Partie A, les couleurs des colorants Soudan I et soudan III sont reliées aux structures des molécules qu ils contiennent. Partie B, l étude d un texte sur le dépistage de colorants toxiques dans l alimentation est le prétexte à la découverte d une technique d identification de substances colorées : la spectroscopie UV-visible. Réponses aux questions 1. Le colorant Soudan I absorbe majoritairement dans le bleu, couleur complémentaire du jaune : il est donc jaune. 2. Le colorant Soudan III absorbe dans le vert et le bleu : il transmet donc les radiations autour du rouge, et apparaît rouge. 5. LES SUBSTAES ORGAIQUES OLORÉES _LDP_05.indd 4 13/09/11 15:51:38

5 3. a. On repère la structure de la molécule de Soudan I au sein de la structure de la molécule de soudan III. ependant, le colorant Soudan III contient 13 liaisons doubles conjuguées, le colorant Soudan I n en contient que 9. b. Le colorant Soudan III absorbe dans le bleu et dans le vert tandis que le colorant Soudan I absorbe seulement dans le bleu : plus le nombre de liaisons doubles conjuguées est élevé, des radiations de longueurs d onde de plus en plus grandes sont absorbées. c. La différence de couleur entre les colorants soudan I et Soudan III est liée à leur nombre de liaisons doubles conjuguées. 4. La présence de colorant Soudan III dans les piments rouges peut être détectée par comparaison des spectres d absorbance. Lorsque le spectre d absorption d un colorant rouge présente un maximum d absorption vers 500 nm, la présence du colorant Soudan III peut être suspectée. 5. Une chromatographie (M ou autres) permettrait également de détecter leur présence. 6. Un colorant peut être analysé par spectroscopie (UV-visible) ou par chromatographie. D. Déroulement du cours On peut compter pour ce chapitre 1 séance de TP et 5 heures de cours. Exemple de progression : ours Activités 1 et 2 ; 1. Les molécules organiques ; Exercices 1. Molécules organiques p ; Séances de TP «Interpréter une expérience» p. 92 et activité 3 (1,5h). ours Activité Molécules organiques colorées Exercices 2. Indicateurs colorés p ours 3. Liaisons dans les molécules organiques Exercices 3. Structures moléculaires p E. Réponses aux exercices p. 102 Les réponses aux exercices qui ne figurent pas ici sont à la fin du manuel, p Le glucose est une molécule organique ( 6 H 12 O 6 ) obtenue à partir de deux molécules inorganiques : l eau (H 2 O) et le dioxyde de carbone (O 2 ) Le BBT contient des atomes de carbone et d hydrogène, c est donc une molécule organique. 2. Le BBT possède onze liaisons doubles (neuf liaisons doubles = et deux liaisons doubles S=O). 3. Les deux liaisons doubles S=O ne sont pas séparées par une liaison simple, donc elles ne sont pas conjuguées. 48 LIVRE DU PROFESSEUR 6 La molécule de lutéol contient huit liaisons doubles conjuguées (séparées deux à deux par une liaison simple) Une molécule organique est caractérisée par la présence d atomes de carbone et d hydrogène. En plus de ces deux éléments, elle peut en contenir d autres (appelés hétéroatomes) : c est par exemple le cas de la cyanidine (doc. 14 p. 99). Toutes les molécules organiques ne sont donc pas hydrogénocarbonées. 2. L anthracène contient sept liaisons doubles =. 5908_LDP_05.indd 5 13/09/11 15:51:38

6 3. L anthracène contient sept liaisons doubles conjuguées. 4. L anthraquinone possède huit liaisons doubles (six liaisons = et deux liaisons =O), tandis que l anthracène contient sept liaisons doubles = Il y a douze liaisons doubles conjuguées dans la «chlorophylle a», et treize liaisons doubles conjuguées dans la «chlorophylle b». 2. La «chlorophylle b» contient une liaison double conjuguée de plus que la «chlorophylle a», sa couleur est donc légèrement différente Le curcuma est un indicateur coloré acido-basique car la couleur d une solution aqueuse de curcuma dépend du ph. 2. b. La molécule de curcumine contient dix liaisons doubles conjuguées successives. 3. La molécule de curcumine contient un grand nombre de liaisons doubles conjuguées, elle est donc colorée a. Formule semi-développée du cristal violet : + H H H H H H H H H H H H b. Formule brute du cristal violet : 25 H c. Le cristal violet contient six liaisons simples. d. Le cristal violet contient dix liaisons doubles. e. On repère par exemple les six liaisons doubles conjuguées suivantes (entourées ci-dessous). + H H H H H H H H H H 5. LES SUBSTAES ORGAIQUES OLORÉES 49 H H 2. a. Formule semi-développée de l alcool A : + H H H H H H H H H H H H b. L alcool A contient neuf liaisons doubles. c. L alcool A contient trois liaisons doubles successives au maximum. 3. Le cristal violet contient un grand nombre de liaisons doubles conjuguées successives, il est donc coloré. L alcool A ne contient que trois liaisons doubles conjuguées successives au maximum, il est donc incolore a. Vrai : un atome d hydrogène respecte la règle du duet. b. Vrai : la molécule contient 6 atomes d hydrogène, qui sont entourés par un doublet d électrons. 2. a. Vrai : les atomes de carbone forme 4 liaisons de sorte à respecter la règle de l octet. b. Faux. c. Faux : les atomes de carbone respectent la règle de l octet. 3. a. Vrai. b. Faux. c. Vrai : les atomes d oxygène respectent la règle de l octet, car ils sont entourés de deux doublets liants et de deux non liants. 5908_LDP_05.indd 6 13/09/11 15:51:38

7 19 1. Le jaune Soudan est un colorant azoïque : il possède une liaison double =. 2. Seul l atome d hydrogène respecte la règle du duet. 3. La formule brute du jaune Soudan est 16 H 12 2 O. Les 16 atomes de carbone, les 2 atomes d azote et l atome d oxygène respectent la règle de l octet L atome d azote forme trois liaisons covalentes (une liaison simple et une liaison double). 2. L atome d azote porte un doublet non liant pour respecter la règle de l octet. 3. b. Les atomes d oxygène impliqués dans des liaisons doubles doivent porter deux doublets non liants de sorte à respecter la règle de l octet Il y a 30 liaisons covalentes entre atomes de carbone dans cet ion. 2. a. L atome d azote possède 5 électrons externes (sur sa couche L). b. et atome d azote possède un électron de moins que l autre atome d azote (non chargé), soit 5 1 = 4 électrons externes. c. et atome doit former quatre liaisons covalentes de sorte à «gagner» quatre électrons externes et respecter la règle de l octet. 3. et ion contient 10 liaisons doubles conjuguées successives La cyanidine est un indicateur coloré de ph. 2. D après le diagramme et notre hypothèse, les hortensias violets vont pousser sur des sols acides (3 ph 6) et les hortensias bleus sur des sols neutres, ou légèrement acides ou basiques Le composé 1 absorbe les radiations de petite longueur d onde, autour du bleu (couleur complémentaire du jaune). 50 LIVRE DU PROFESSEUR max (nm) n λ max augmente lorsque n augmente. Sur la plage des nombres de liaison n considérés, cette évolution peut être considérée comme linéaire. 4. a. Graphiquement, on détermine qu une cyanine présentant un maximum d absorption pour λ max = 625 nm possède 5 liaisons doubles successives. b. H H H H H H H H H La couleur du colorant de Reichardt dépend du solvant dans lequel il est dissous. 2. Le colorant de Reichardt contient 21 liaisons doubles conjuguées. 3. a. L atome d azote forme quatre liaisons covalentes. b. L atome d azote est entouré par quatre doublets, il respecte donc la règle de l octet. c. L atome d oxygène est relié par une seule liaison covalente à un atome de carbone. Il doit donc porter trois doublets non liants pour respecter la règle de l octet. 4. Lorsque le film devient rouge au contact de l air, la présence de méthanol est mise en évidence. 5908_LDP_05.indd 7 13/09/11 15:51:38

8 26 1. ette espèce contient quatre liaisons. 2. La forme oxydée du bleu de méthylène contient 7 liaisons doubles conjuguées. 3. La forme incolore du bleu de méthylène contient 6 liaisons doubles conjuguées. Le nombre maximal de liaisons doubles conjuguées successives est de La forme oxydée du bleu de méthylène est colorée car elle contient un grand nombre de liaisons doubles conjuguées. La forme réduite est incolore car le nombre de liaisons doubles conjuguées est trop faible L acide carminique contient 9 liaisons doubles conjuguées. ette structure est à l origine du caractère coloré du rouge carmin. 2. Masse maximale d acide carminique extrait d une cochenille : m acide carminique = 70 % 20 % m cochenille = 0,7 0,2 5 = 0,7 g. 3. Le vinaigre est acide. Puisque la couleur de la peinture change, c est donc que ph est inférieur à 5 ; d après le diagramme, le colorant rouge carmin devient alors orange. 4. Les teintes orange, rouge et violette ont été obtenues à partir du même colorant rouge carmin, utilisé avec des solutions à différents ph. À ph 5, la teinte est orange ; à ph 8, elle est violette ; et entre ces deux domaines de ph, elle est rouge a. Le sirop de violette devient vert en présence de poison. b. D après le diagramme, le ph du poison est donc basique (8 ph 12). 2. Le papier de tournesol devient bleu lorsqu il est plongé dans une solution aqueuse dont le ph est supérieur à 8 : ce résultat est en accord avec la réponse formulée à la question Si la strychnine est une substance basique, sa présence dans le poison a pour effet d augmenter le ph de la limonade jusqu à ph 8 : le jus de violette vire au vert et le papier de tournesol devient bleu. 4. a. Le docteur applique une démarche scientifique (hypothèse, expérimentation, observation, interprétation puis conclusion). b. Tel qu il est présenté, le test du docteur n est pas caractéristique de la strychnine, et permet seulement de conclure que le ph de la boisson est basique. Une analyse par M, avec comparaison des rapports frontaux des espèces présentes dans la limonade avec un échantillon de strychnine, serait nécessaire pour identifier formellement sa présence La mélanine absorbe une partie des rayons UV. 2. La mélanine contient 15 liaisons doubles conjuguées successives. 3. La mélanine absorbe toutes les radiations du domaine visible, car sa couleur est marron-noir. 4. Les personnes synthétisant peu de mélanine doivent particulièrement se protéger des rayonnements UV du soleil a. La formule topologique a. correspond à la formule semi-développée B ; b. correspond à A ; c. correspond à. b. Formules semi-développées correspondantes : O H H 2 HO H 2 H H H H H 2 c. Les formules brutes de ces composés sont respectivement 7 H 12 O et 7 H 15 O. 2. La molécule de canthaxanthine contient 13 liaisons doubles conjuguées (11 liaisons = et 2 liaisons =O). 3. Le β-carotène contient 11 liaisons doubles = conjuguées. 4. Les deux molécules sont constituées d une longue chaîne carbonée principale identique, avec un cycle à chaque extrémité. ependant, la canthaxanthine contient une liaison double =O sur chaque cycle, et par conséquent 5. LES SUBSTAES ORGAIQUES OLORÉES _LDP_05.indd 8 13/09/11 15:51:38

9 deux liaisons doubles conjuguées de plus que la molécule de β carotène. 5. La canthaxanthine est rose tandis que le β-carotène est orange. Leurs différences de structure, et donc du nombre de liaisons conjuguées, ont une conséquence sur la couleur de ces substances. F. Bibliographie L. MARTEL «À propos d indicateurs colorés», BUP 732, mars R. MAHÉ, D. DEVILLIERS, E. MAHÉ, «Expériences portant sur la notion d indicateur coloré» BUP 801, février M. APO, V. OURILLEAU,. VALETTE, himie des couleurs et des odeurs, ultures et Techniques, B. VALEUR, Lumière et luminescence, Belin, E. HAMOOU, «Mesurer un ph avec du chou rouge», Science & Vie n 1126, juillet LIVRE DU PROFESSEUR 5908_LDP_05.indd 9 13/09/11 15:51:38