Sciences Physiques 1S S. Zayyani. Fiche de Cours

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1 Sciences Physiques 1S S. Zayyani Fiche de Cours Unité : Observer Chapitre: Chapitre 4 Chimie des couleurs Couleurs Nous sommes, dans la vie quotidienne, entourés de couleurs différentes. On les utilise pour des raisons esthétiques, des raisons éducatives, et beaucoup d autres raisons. Mais on se pose rarement des questions sur la nature des couleurs. D où vient la couleur d un objet? Qu est-ce qu une couleur? Pour répondre à la première question pensons aux facteurs influençant la couleur d un objet. Il y a des facteurs intrinsèques, ainsi que des facteurs extrinsèques. La matière qui constitue l objet influence la couleur de l objet. Ce dernier est dû à la présence de colorants ou/et de pigments (que l on définira prochainement). Le facteur extrinsèque est sans doute l éclairage de l objet, c est-à-dire la nature de la lumière qui éclaire l objet observé. Colorant & Pigment DÉFINITION : Colorant : espèce chimique soluble dans le milieu qu elle colore. Une teinture est un colorant dissous dans une fibre. Pigment : espèce chimique dispersée dans le milieu qu elle colore, et donc insoluble dans ce dernier. Ce sont des poudres finement divisées (d une dimension de l ordre de µm). Une peinture est constituée d un pigment dispersé dans un liquide appelé liant. Jusqu au XXe siècle colorants ou pigments étaient d origine naturelle : ils étaient obtenus par extractions (des minéraux, fleurs, etc.). Mais grâce à la chimie de synthèse et à la chimie industrielle on est capables à nos jours de fabriquer des espèces colorées plus variées et en grande quantité. Facteurs influençant la couleur Figure 1 - pigments naturels Plusieurs facteurs peuvent influencer la couleur d un objet. Par exemple, comme on a vu en classe de troisième, certaines réactions chimiques (pensez aux réactions entre les ions métalliques et la soude) produisent des précipités colorés. 1

2 Le ph d une solution pourrait changer la couleur d une espèce chimique. En effet, ceci est le cas des indicateurs colorés utilisés fréquemment en chimie. Et dernièrement nous pouvons aussi considérer des facteurs extérieurs (comme la température ou la lumière) comme des facteurs importants (e.g. certains précipités qui noircissent à cause de la lumière). En résumé donc, les différents facteurs qui peuvent influencer la couleur d un milieu : L éclairage du milieu La nature et les caractéristiques du milieu (ph, présence des solvants, etc.) La présence de un ou plusieurs colorants ou pigments Des paramètres extérieurs, température, lumière, etc. Solution Colore e Nous allons nous concentrer maintenant sur les solutions colorées. Avant aborder la notion de couleur d une solution, il faut une petite révision des caractéristiques des solutions : DÉFINITION : i. Une solution est un mélange homogène (=Homogeneous mixture) obtenu par dissolution d une ou plusieurs espèces chimiques dans un liquide appelé un solvant. ii. Le solvant (=solvent) est un liquide dont la quantité de matière est majoritaire. iii. Les solutés (=solute) sont des espèces chimiques dissoutes dans le solvant iv. Si le solvant est l eau, on obtient une solution aqueuse (=aqueous solution). On a rencontré la notion de dissolution en cinquième avant la théorie atomique de la matière. Maintenant on peut l expliquer grâce aux atomes. Lors d une dissolution, les entités du soluté se dispersent uniformément parmi les molécules du solvant ; l agitation favorise ce phénomène. Une dissolution ne peut s interpréter ni par une réaction chimique ni par un changement d état. Si le soluté, c'est-à-dire les entités dissoutes dans le solvant, est constitué de particules ioniques, la solution est appelée «solution ionique» (e.g. solutions contenant des ions de cuivre (II) ou de sulfate ). Si le soluté est constitué de molécules, la solution est appelée «solution moléculaire» (e.g. solution d eau sucrée, contenant des molécules de sucre ). Une grande partie des réactifs que l on utilise en chimie sont des solutions. Donc on a besoin d établir, nonseulement une grandeur qui caractérise les solutions et leurs contenus Cette grandeur s appelle la concentration d une solution. On utilise deux types de concentration : 1) Concentration massique et 2) Concentration Molaire. Concentration massique La concentration massique (=grams per litre) est le rapport de la masse du soluté par le volume de la solution. Elle est donnée par la relation suivante : où { 2

3 La concentration massique s exprime toujours en gramme par litre ( ). Concentration Molaire On appelle concentration molaire (=molar concentration), ou souvent d une solution (ou concentration molaire du soluté en solution) le rapport entre la quantité de matière de soluté et le volume de la solution. On l exprime en, et elle est donnée par la relation suivante : où { REMARQUE : On note souvent la concentration d une espèce chimique avec des crochets [ ]. Donc la concentration de diiode dans une solution est notée : ou la concentration du sucre d une solution de l eau sucrée est notée : Couleur d une solution La couleur d une solution dépend de la couleur de ses constituants. Il s agit, comme décrit dans le chapitre précédent, d une synthèse soustractive ; des couleurs de matières colorées ayant servi à sa réalisation. Donc la couleur de la solution dépend de la portion de la lumière éclairant la solution qui est absorbée par la solution. En pensant à la définition des couleurs complémentaires, on peut facilement conclure que, pour une couleur donnée, ce sont les radiations correspondant à la couleur complémentaire qui sont majoritairement absorbées. Donc une solution qui absorbe une couleur du spectre transmet la couleur complémentaire : ce sera la couleur apparente de la solution. 3

4 Spectrophotométrie & la Loi de Beer-Lambert Peut-on alors exploiter cette connaissance de la couleur d une solution comme un instrument de mesure de sa concentration? Bien sûr! Le point clef dans cette histoire est la notion d absorbance. La couleur de la solution dépend de la lumière partiellement absorbée par les particules du colorant ou du pigment, donc si la concentration de ces particules change, la quantité de lumière absorbée change aussi! Définissons alors l absorbance : DEFINITION : L'absorbance mesure la capacité d'un milieu à absorber la lumière qui le traverse L absorbance d une solution est une grandeur sans unité : elle caractérise l aptitude des espèces présentes dans la solution à absorber une radiation de longueur d onde donnée. L absorbance d une solution se mesure grâce à un spectrophotomètre Le spectre d absorption d une solution est le graphe de l absorbance en fonction de la longueur d onde (figure cicontre). 4

5 REMARQUE : L absorbance d une solution est donnée par la relation où est l intensité lumineuse à une longueur d onde donnée, avant la traversée de la solution par la lumière, et est l intensité de la lumière transmise. Normalement sur les spectrophotomètres la valeur d absorbance est située entre. Une absorbance de signifie que de l énergie lumineuse de la radiation incidente est absorbée. Les mesures d absorbance d une solution permettent d établir la courbe d étalonnage de l absorbance de ces solutions en fonction de leur concentration (figure ci-dessus). Ce graphe est une courbe linéaire (droite passant par l origine). Ceci implique une relation de proportionnalité entre la concentration et l absorbance. Mathématiquement : { C est la loi de Beer-Lambert (ou la loi de Beer-Lambert-Bouguer) : pour une longueur d onde donnée, l absorbance d une espèce en solution est proportionnelle à sa concentration. Rigoureusement, cette expression pourrait être un plus détaillée : est le coefficient d extinction molaire. Il dépend de la nature de l espèce, de la longueur d onde de la radiation utilisée, du solvant et de la température. est l épaisseur de la solution traversée en Dosage spectrophotométrique et Comment alors exploiter ce phénomène d absorbance? Grâce à un dosage spectrophotométrique! D abord expliquons le principe d un dosage : DÉFINTION : Le but d un titrage par dosage est de déterminer la concentration molaire d une solution inconnue, en la faisant réagir avec une autre solution dont la concentration est connue. La solution dont la concentration est inconnue et qui est dosée s appelle la solution titrée. Le réactif titré est l espèce dosée dans la solution titrée. La solution versée et qui réagit avec la solution 5

6 titrée, dont la concentration est connue à priori, s appelle la solution titrante. Elle contient le réactif titrant. Donc on peut déterminer la concentration d une solution inconnue grâce aux différents dosages (dosage phmétrique, dosage colorimétrique, dosage d oxydoréduction, dosage conductimétrique ). DEFINTION : Le dosage spectrophotométrique est une technique utilisée lorsque l espèce en solution est colorée. Elle consiste à mesurer, à l aide d un spectrophotomètre, les absorbances des solutions colorées de concentration connues, à une longueur d onde donnée. On prépare une échelle de teinte d une solution contenant l espèce chimique à doser. On mesure ensuite l absorbance de chacune des solutions à. La courbe s appelle la courbe (ou la droite) d étalonnage. Pour déterminer la concentration de l espèce chimique dans une solution inconnue, on mesure l absorbance de cette solution et on en déduit la concentration de l espèce chimique grâce à la courbe d étalonnage. (cf. page 345 de votre manuel «fiche technique»). 6

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