Chapitre 14 Les matières colorantes I. Les matières colorées Les espèces chimiques responsables de la couleur sont appelées matières colorées : elles absorbent la lumière visible (domaine de longueur d onde entre 400nm et 800nm). Les matières colorantes peuvent être d origine naturelle ou synthétique. La majorité des matières colorantes utilisées aujourd hui est synthétique. I.1. Aperçu historique Depuis la Préhistoire, les Hommes utilisent des matières colorées minérales (extraites des roches, du sol) telles que les ocres ou le noir de charbon, retrouvés dans des grottes. Depuis la haute Antiquité, on sait extraire des matières colorées organiques (liées aux êtres vivants) : - à partir des végétaux : la garance, l indigo - à partir des animaux : le kermès (ou «cochenille»). Dès le milieu du XIX e siècle, les chimistes parvinrent à synthétiser des molécules colorantes n existant pas dans la nature. Ex : l Anglais PERKIN synthèse, pour la première fois, en 1856 un colorant : la mauvéine. Les produits de synthèse allaient remplacer, petit à petit, les produits naturels. Une espèce chimique «organique», naturelle ou synthétique, contient essentiellement les éléments carbone «C» et hydrogène «H». I.2. Pigments et colorants n distingue deux familles de matières colorées : les pigments et les colorants. n les distingue en fonction de la solubilité de la molécule colorée dans le milieu qu elle colore : Un colorant est soluble dans le milieu qu il colore. Le mélange est homogène (une phase). Chaque molécule forme une liaison avec le substrat. n applique des colorants aux textiles, aux papiers, au cuir. Un pigment est insoluble dans le milieu qu il colore ; il forme une suspension. Le mélange est hétérogène (deux phases). Il constitue souvent des agrégats de molécules prisonniers dans le milieu du fait de leur taille. Les pigments colorent les peintures, les encres, les plastiques Expérience de cours : Dans 4 tubes à essai contenant 2 ml d eau, on introduit respectivement une pointe de spatule d orange soudan (1), de noir de charbon (2), d indigo (3), et de fluorescéine (4). n observe après agitation que les matières colorées des tubes (1) et (4) se sont dissoutes. Ce sont des colorants. Les deux autres sont des pigments. I.3. Paramètres influençant la couleur - La température Ex : Les ocres jaunes deviennent rouges en les chauffant. - Le ph Ex : Les anthocyanes contenus dans le chou rouge ont la propriété de changer de couleur selon l acidité (le ph) du milieu. n les utilise comme «indicateurs colorés acido-basiques». En laboratoire, il en existe d autres comme l hélianthine, la phénolphtaléine, ou le bleu de bromothymol. - Le solvant Ex : le diiode en solution aqueuse est jaune-orangé ; en solution dans le cyclohexane, il est violet.
II. Structure moléculaire d une espèce colorée II.1. Formule topologique et liaisons conjuguées Dans ce chapitre, la représentation d une molécule en formule topologique est indispensable, car bien plus aisée. Dans cette écriture topologique : - Chaque atome de carbone se trouve aux extrémités de chaque liaison. - Il fait autant de liaisons avec les atomes d hydrogène que nécessaire pour avoir en tout 4 liaisons. Exemple : Nom de la molécule Formule brute Formule semi-développée Formule topologique acide butanoïque C 4 H 8 2 CH 3 CH 2 CH 2 CH H Les molécules colorées présentent une alternance régulière de doubles liaisons C = C séparées par des liaisons simples C C : on dit que les doubles liaisons sont conjuguées. Remarque : - La couleur perçue correspond à la couleur complémentaire de la radiation absorbée. - La longueur d onde de la radiation absorbée augmente lorsque le nombre de liaisons conjuguées augmente. Exemple : Comparaison de deux colorants, l alizarine (rouge) et l indigotine (bleue) Alizarine Indigotine Moins de liaisons conjuguées (8) Plus de liaisons conjuguées (9) Longueur d onde absorbée moins grande Longueur d onde absorbée plus grande Bleu absorbé range-rouge absorbée Couleur range-rouge («complémentaire») Couleur Bleue («complémentaire») II.2. Groupes chromophores et groupes auxochromes Les doubles liaisons conjuguées qui permettent l absorption des radiations visibles sont appelés groupes chromophores (du grec «khrôma» = couleur et «phero» = je porte). Une molécule qui contient des chromophores est appelée chromogène. Diène conjugué C = C C = C Noyau benzénique (cycle de 6 atomes de carbone) Groupe carbonyle ou C = Groupe azoïque N = N Groupe nitroso Groupe nitro N = N
Certains substituants peuvent modifier la longueur d onde d absorption. n les nomme groupes auxochromes (du grec «auxo» = modifier et «khrôma» = couleur). Groupe amine NH 2 Groupe hydroxyle H Groupe sulfonique S 3 H ou S 3 Na Groupe carboxylique CH Groupe iodo, chloro, bromo I Cl Br Ex : l anthraquinone (ci-dessous) est jaune alors que l alizarine (ci-dessus) est rouge. Seuls deux groupements H sont présents en plus dans la formule. Ces groupements auxochromes ont décalé l absorption vers le bleu-vert. L alizarine qui les contient est donc de couleur complémentaire : rouge. II.3. Absorption par les chromophores et modification par les auxochromes Plus le nombre n de doubles liaisons conjuguées successives est important, plus la longueur d'onde absorbée est élevée. Pour les molécules organiques : Si n < 7, alors la molécule absorbe les radiations UV : elle est incolore. Si n 7, alors la molécule absorbe les radiations visibles : elle est colorée. n peut voir les couleurs correspondantes à la couleur de la longueur d'onde absorbée grâce à ce cercle chromatique : Si le composé comporte plusieurs doubles liaisons identiques, alors la couleur sera plus foncée. Si les groupements auxochromes déplacent l absorption de la molécule - vers les grandes longueurs d onde, on parle d effet bathochrome. - vers les faibles longueurs d onde, on parle d effet hypsochrome. Ex : L hélianthine (colorant synthétique) La crocétine (colorant jaune naturel) III. Quelques familles chimiques de colorants Selon la constitution chimique, il existe plusieurs familles de colorants : - les azoïques : ils sont caractérisés par la présence du groupement azoïque reliant 2 noyaux benzéniques. La plupart d entre eux est jaune ou rouge.
Ex : l hélianthine - les anthraquinoriques : ils couvrent une gamme variée de couleurs très résistantes (bleu, turquoise, jaune, rouge, orange). Ils ont en commun le groupement anthraquinone : - les indigoïdes : ils sont utilisés notamment pour la teinture indigo. n les trouve aussi dans les coquilles de certains escargots de mer, ainsi que dans les plantes et les animaux. Ils ont tous en commun le groupement indigo : - les anthocyanines : ce sont des colorants naturels. n les trouve dans les plantes et sont à l'origine de la couleur rouge présente dans le feuillage d'automne. IV. Les teintures Une des principales utilisations des colorants est la teinture des fibres textiles. Ces fibres peuvent être très diverses : fibre naturelle d origine animale (laine, soie, cuir, cheveux ) ou végétale (coton, lin, jute ) ; fibres synthétiques (polyamide tel que le nylon, polyacrylique tel que l orlon, polyesters tel que le tergal ) IV.1. Principe de la teinture Le textile à colorer est immergé dans une solution de colorant. Les fibres se gonflent dans l eau : les pores se dilatent et les molécules de colorants viennent se loger dans ces pores. La teinture correspond à la fixation du colorant sur la fibre grâce à la formation de liaisons entre les molécules de colorant et la fibre. N importe quel colorant ne peut être utilisé pour colorer n importe quelle fibre. Il existe donc différentes techniques de teinture. IV.2. Techniques de teinture IV.2.1. Teinture directe La teinture directe permet de teindre un textile par simple immersion dans une solution de colorant. Il s établit des liaisons entre les fibres textiles et le colorant. Colorant Fibre textile Liaisons «colorant/fibre textile» Ex : le rouge Congo permet de teindre le coton par une simple immersion dans une solution aqueuse chaude en présence de chlorure de sodium.
Colorants directs Colorants acides Ajustement du ph du bain Fibres naturelles végétales (coton, lin) Fibres protéiques (laine et soie), polyamide Colorants basiques Ajustement du ph du bain Fibres acryliques et cellulosiques Colorants à mordant Crée des liaisons fortes (covalentes) avec le tissu Fibres cellulosiques, polyamides IV.2.2. Teinture indirecte n travaille la fibre ou on ajoute des composés de différentes natures avant de mettre en contact fibre et colorant. Teinture par mordançage : Rares sont les colorants qui se fixent directement sur les fibres textiles. Souvent les colorants n ont que peu d affinité avec les fibres et nécessitent un mordant qui sert d intermédiaire entre le colorant et la fibre. Cette technique de mordançage consiste à déposer, tout d abord, au sein des fibres, le mordant, souvent un oxyde métallique (ex : K 2 Cr 2 7 ). Le mordant se fixe sur la fibre et se combine avec le colorant pour donner un composé insoluble appelé laque. Colorant Liaisons «colorant/mordant» Mordant Liaisons «fibre textile/mordant» Fibres textiles Ex : Pour teindre du coton avec du vert de malachite, on utilise comme mordant l acide tannique. Remarque : la couleur de la teinture dépend du colorant et du mordant. Teinture par colorant de cuve : Certains colorants sont insolubles dans l eau, souvent utilisée comme solvant dans la teinture. La teinture de cuve consiste à solubiliser provisoirement le colorant avant de l insolubiliser une fois qu il a pénétré la fibre. Ex : l indigo est un colorant dit de cuve Remarque : L indigo forme un agrégat insoluble dans la fibre, il s agit donc d un pigment au sens strict du terme. L indigo étant insoluble dans l eau, la coloration résiste bien à l eau. Cependant le colorant formant des agrégats à la surface des fibres, il est sensible à l abrasion : les genoux des jeans, teints à l indigo, deviennent ainsi parfois blancs.
Alizarine Indigotine Anthraquinone Indigo Héliantine Crocétine Groupes chromophores : Diène conjugué C = C C = C Noyau benzénique (cycle de 6 atomes de carbone) Groupe carbonyle ou C = Groupe azoïque N = N Groupe nitroso Groupe nitro N = N Groupes auxochromes : Groupe amine NH 2 Groupe hydroxyle H Groupe sulfonique S 3 H ou S 3 Na Groupe carboxylique CH Groupe iodo, chloro, bromo I Cl Br