Chapitre 4 : Couleur et quantité de matière

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1 Chapitre 4 : Couleur et quantité de matière I) La matière colorée : les colorants et les pigments Dans ce chapitre on s intéresse aux espèces chimiques à l origine de la couleur. Il existe deux types de matières colorées : les colorants et les pigments. a) Les colorants Les colorants sont solubles dans le milieu dans lequel ils sont placés (par exemple l eau). La solution qui les contient (solution colorée) est transparente : si une partie des radiations sont absorbés, le reste est transmis. Exemples d utilisation de colorants : les colorants sont utilisés dans les produits industriels ( textiles, aliments, encres, plastiques) b) Les pigments Les pigments sont insolubles dans le milieu dans lequel ils sont placés. Ils absorbent une partie des radiations mais contrairement aux colorants, ils diffusent les radiations non absorbées : cette diffusion rend les pigments opaques (la lumière ne les traverse pas). Exemples d utilisation des pigments : sous forme de poudre, mélangé à un liant (ex : l huile) les pigments sont utilisés dans la peinture. Ils peuvent être obtenus par extraction, à partir de produits naturels qui les contiennent, ou par synthèse. Rappel de seconde : L extraction consiste à solubiliser la substance colorée dans un solvant extracteur où il est très soluble. Une filtration est souvent nécessaire pour séparer les constituants. La nature et la pureté du produit obtenu sont vérifiées par CCM ou par mesure d une grandeur physique caractéristique. 7 p90 : Le carotène (E160a) 1. a. La premiere experience montre que le carotene n est pas soluble dans l eau alors que la deuxieme montre qu il est soluble dans l hexane. b. Avant agitation, la phase organique surnage, ce qui montre que l hexane a une densite plus faible que l eau. D apres ce qui precede, l agitation permettra au carotene de passer en phase organique puisqu il y est plus soluble que dans l eau. Il y aura donc dans l ampoule une phase superieure orangee du fait de la presence de carotene et, en dessous, une phase aqueuse peu ou pas coloree contenant la pulpe de la carotte. 2. a. Montage avec source de lumiere blanche + cuve + element dispersif + ecran. Le montage est schematise dans le chapitre 7, figure 2, p. 96. b. La solution de carotene ne transmet que les radiations de longueurs d onde superieures a 520 nm, si bien qu apres la traversee de cette solution, le spectre de raies obtenu ne comporte que 5 raies correspondant a 546, ,1 623,4 690,7 nm.

2 9 p90 : Pigments minéraux et cosmétiques antiques 1. La galene nous parait noire car elle absorbe toutes les plages de lumiere du domaine visible. 2. a. La laurionite nous parait blanche car elle diffuse toutes les plages de lumiere du domaine visible. b. L equation chimique est : PbO(s) + Cl (aq) + H2O PbHOCl(s) + HO (aq). c. La laurionite, insoluble puisque c est un pigment,est separee du melange reactionnel par filtration. d. A l issue de la synthese, il faut proceder au lavage du solide obtenu pour etre sur qu il ne reste plus aucune trace d especes chimiques corrosives. II) Couleur d une espèce colorée La courbe spectrale : l absorbance A d une espèce colorée en fonction des longueurs d onde. On rappelle que la couleur des matières colorées est le résultat d une synthèse soustractive : la couleur absorbée et la couleur perçue par l œil sont complémentaires. Remarque : pour obtenir toute la complémentarité des couleurs avec le cercle chromatique (la couleur absorbée et la couleur perçue sont en vis-à-vis dans le cercle). La couleur des matières colorées dépend donc des radiations lumineuses qu elles absorbent. Il est donc judicieux d analyser cette absorption en traçant la courbe spectrale en fonction de la quantité de lumière absorbée appelée l absorbance. L analyse s effectue à l aide d un appareil, le spectrophotomètre. Dans un spectrophotomètre, la solution contenant une espèce colorée est éclairée par un faisceau considéré comme monochromatique de longueur d onde choisie. Pour chaque longueur d onde choisie, l appareil mesure une grandeur appelée absorbance de la solution, notée A, qui caractérise l absorption par l espèce colorée en solution.

3 L absorbance A est un nombre sans unité ; elle est définie par rapport à l absorption d une solution de référence. Si l absorbance est nulle pour une radiation de longueur d onde donnée, c est que l espèce dissoute colorée n absorbe pas plus cette radiation que le solvant. L allure générale de la courbe spectrale nous permet de déterminer la couleur de chaque espèce colorée : les radiations absorbées par un mélange de matière correspondant aux radiations de chacun des constituants du mélange. Rappel du spectre visible : Exercice 5 p89 13 p 92 Synthèse et caractérisation de l indigo a. La couleur est coherente avec la courbe d analyse spectrale de l indigo car celle-ci montre un maximum d absorption de l energie dans le domaine jaune-orange. L indigo est donc percu de la couleur complementaire, c est-a-dire bleu-violet. b. La synthese se termine une fois que tout le precipite bleu est forme, apres 5 minutes d agitation et avant la filtration sous vide. c. La filtration permet de separer le solide des fractions liquides du melange reactionnel ; ici, c est le solide qui est attendu. La filtration sous vide est plus rapide que la filtration simple. d. Le lavage a l eau permet d eliminer les traces de reactifs en exces et des produits autres que l indigo. L absence de couleur des eaux de lavage montre qu il n y a pas d indigo (insoluble dans l eau). L indigo est donc un pigment, comme l indique l enonce (et non un colorant). e. Sur le schema, il faut bien indiquer que la ligne de depot est au-dessus du niveau de l eluant dans la cuve. Le chromatogramme obtenu permet de determiner que le resultat de la synthese est bien de l indigo pur, s il n y a qu une tache correspondant au depot du resultat de la synthese et si cette tache est bien a la meme hauteur que celle correspondant a l indigo de référence.

4 III) La loi de Bert Lambert Voir Tp L absorbance caractérise l absorption d un rayonnement par un soluté. Cette grandeur dépend du soluté, de la longueur d onde de la radiation absorbée et de l épaisseur de la solution. On donne la relation suivante : A =.l.c Avec : -, le coefficient d extinction molaire en L.mol -1.cm -1 qui dépend du soluté et de la longueur d onde. - l, la longueur de la solution traversée par la radiation en cm. - c, la concentration molaire en soluté coloré en mol.l -1. IV) Dosage de solutions colorées par étalonnage : dosage spectrophotométrique Un dosage est une méthode de détermination de la concentration d une espèce en solution. 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 de solutions colorées de concentrations connues, à une longueur d onde donnée. La courbe A=f(c) obtenue est modélisée par une droite, appelée droite d étalonnage. Elle donne, par lecture graphique la concentration d une solution inconnue à partir de la valeur de son absorbance. Exercice sur l expérience : n 8 p 102 et n 12 p103 N 8 p103 Réalisation d une courbe spectrale a. Pour mesurer experimentalement une absorbance, il faut d abord fixer la longueur d onde puis faire le blanc. Cette etape consiste a mettre une cellule identique a celle utilisee pour la mesure et contenant le meme solvant, puis a regler l absorbance a la valeur 0. Le spectrophotometre met cette valeur en memoire puis la soustrait a chaque mesure d absorbance effectuee a cette longueur d onde, afin de n afficher que la contribution a l absorbance du solute. b. La courbe spectrale represente les variations de l absorbance A (en ordonnee) en fonction de la longueur d onde λ (en abscisse). c. On obtient le graphe suivant : d. La collecte des absorbances a differentes concentrations gagnerait a se faire a 550 nm, le maximum de la courbe. A cette valeur la sensibilite est maximale et la tangente a la courbe etant horizontale, une petite derive de la longueur d onde a moins d effet sur l absorbance que si la longueur d onde choisie se trouve sur la partie la plus pentue de la courbe spectrale.

5 n 12 p103 Échelle de teintes et courbe d étalonnage a. Pour préparer 50mL d une solution de concentration c =4,0 mmol.l -1 à partir d une solution de concentration c = 20 mmol.l -1, il faut prélever V= c V /c, soitv= 4,0x 50 /20 = 10 ml b. Faire le blanc consiste a eliminer tout ce qui n est pas du a l absorbance du solute (solvant+ cuve). c. On obtient la courbe suivante : échelle : Absorbance : 1 mm -> 0,0004 Concentration : 1 mm > 0,020 mmol.l -1 Il s agit d une fonction lineaire : A est proportionnelle a c. d. Apres report de A sur le graphique et lecture : cinc = 0.48 mmol.l 1. Paramètre de la loi de bert lambert : n 4 p101 (coef de l extinction molaire), n 6 p101 (longueur d onde et longueur de traversé) n 6 p101 (longueur d onde et longueur de traversé) Absorbance et longueur traversée a. Le trace des differentes valeurs de l absorbance en fonction de la longueur d onde s appelle une courbe spectrale. b. D apres la loi de Beer-Lambert, Aλ = ε l c, on trouve c c. De meme, par application de la loi de Beer- Lambert et si la longueur l de la cuve est doublee, l absorbance l est aussi, soit A561 = 0,514. d. Les valeurs de ε sont differentes suivant la longueur d onde car l absorbance depend de λ par le coefficient ε. La valeur de l absorbance n est pas previsible.

6 Bilan : n 15 et 16 p104 pour le lundi 7 janvier N 15 p104 a. Une solution absorbe la couleur complémentaire de celle perçue. On s attend a ce qu une solution contenant les ions thiocyanatofer III (rouge orangé) absorbe dans le bleu. b. La longueur d onde 450 nm est effectivement dans la plage des couleurs bleues (voir cours). c. D après la loi de Beer-Lambert, Aλ = ε l c. Sachant qu on se place dans les mêmes conditions expérimentales, ε l est une constante. On a : A 450 = ε l c et A 450 = ε l c min. N 16p104 a. Pour ph = 6,0 : λmax = 435 nm, et pour ph = 8,0 : λmax = 593 nm. b. Les solutions sont perçues de la couleur complémentaire à celle absorbée : pour ph = 6,0 ; la solution absorbe dans le bleu et est de couleur jaune, et pour ph = 8,0 ; la solution absorbe dans l orange et est de couleur bleue. c. On peut alors supposer, vu la présence des deux pics, que les entités présentes a ph = 6,0 et a ph = 8,0 sont aussi présentes a ph = 7,0 mais en quantité moindre, puisque les pics d absorption sont plus petits. d. On va choisir de régler le spectrophotomètre sur λmax = 592 nm, valeur ou l absorbance est liée à la seule l espèce présente a ph = 8,0. e. Le graphe suivant est obtenu :échelle : absorbance : 1 mm > 0,050 concentration : 1 mm > 0, mol.l -1 f. Par lecture graphique : c = 0, =5, mol.l 1. g. A ph = 6,0 ; il faut tracer une nouvelle courbe d étalonnage puisque la solution n a pas la même couleur et n absorbe pas les mêmes longueurs d onde.

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