Couleur d’une substance absorbante et structure de la molécule
Document 1 : origine de la couleur des colorants et pigments
Comme pour les atomes, les molécules voient leurs électrons se ranger sur des niveaux quantifiés d’énergie de plus en plus élevée.
Les électrons sur la couche la plus haute (appelée haute occupée HO) peuvent interagir avec la lumière : l’espèce chimique pourra absorber un rayonnement si son énergie est égale à la différence d’énergie entre le niveau excité juste au-dessus (appelé basse vacante BV) et la haute occupée. Si ce rayonnement absorbé appartient au domaine visible, l’espèce chimique éclairée en lumière blanche sera alors colorée.
L’écart énergétique entre HO et BV est d’autant plus petit que le degré de conjugaison de l’espèce chimique est élevé.
Document 2 : espèce chimique conjuguée
Deux doubles liaisons (=) sont dites conjuguées si elles ne sont séparées que par une liaison simple (-).
Une espèce chimique est dite conjuguée si elle présente une alternance ininterrompue de simples et de doubles liaisons. (- = - = - = - ….). Il y a souvent plusieurs systèmes conjugués sur un même composé.
Le degré de conjugaison d’une espèce chimique est le nombre de doubles liaisons conjuguées de son système conjugué le plus grand.
Document 3 : Longueur d’onde maximale absorbée et couleur perçue
max absorbée (nm)
couleur
absorbée couleur perçue
400-435 violet jaune vert
435-480 bleu Jaune
480-490 vert-bleu Orangé
490-500 bleu-vert Rouge
500-560 vert Pourpre
560-580 jaune vert Violet
580-595 jaune Bleu
595-625 orangé vert bleu
625-750 rouge bleu vert
Travail à réaliser :
I. Travail préliminaire :
Calculer en eV les énergies absorbées correspondant aux longueurs d’ondes suivantes : 416 nm / 519 nm / 625 nm / 735 nm.
On donne : h = 6,625 × 10-34 J.s c = 3,00×108m.s-1 1eV correspond à 1,6×10-19J
λ (nm)
c f h h
E (J)
E (eV)
416 4,78x10-19 2,99
519 3,83x10-19 2,39
625 3,18x10-19 1,99
735 2,70X10-19 1,69
II. Couleur des cyanines :
Les cyanines furent à l'origine utilisées (et le sont toujours) pour produire la gamme de couleurs qui forment une image sur un film photographique.
1. Parmi les valeurs suivantes, attribuer les longueurs d’ondes absorbées à chacune des molécules du tableau : 416 nm / 519 nm / 625 nm / 735 nm après avoir déterminé le degré de conjugaison.
En déduire la couleur absorbée puis la couleur perçue.
Ecriture topologique des cyanines
Degré de
conjugaison
Energie absorbée
(eV)
λmax
absorbée (nm)
Couleur perçue
N+
N 3 2,99 416 Jaune-
Vert
N+
N 4 2,39 519 Pourpre
N+
N 5 1,99 625 Bleu
N+
N 6 1,69 735 Bleu
Vert 2. Compléter la phrase suivante :
Plus le degré de conjugaison est élevé, plus la longueur d’onde de la couleur majoritairement absorbée est …………, plus la couleur perçue s’approche du ………
III. La cyanidine, un indicateur coloré :
La cyanidine (dérivée des cyanines étudiées précédemment) est un pigment qui se rencontre dans de nombreux fruits rouges comme le raisin, la myrtille, la mûre, la cerise mais aussi dans les oignons rouges et le chou rouge.
En fonction du pH, la structure de la cyanidine change et sa couleur aussi.
1. Partie expérimentale :
On cherche à observer la couleur d’une solution de chou rouge en fonction du pH de la solution.
Pour cela, on va ajouter à une solution obtenue par macération de chou rouge, une solution acide Sa. Le pH de la solution alors obtenu sera d’environ 1. On augmentera peu à peu ce pH en ajoutant de petits volumes de solution basique Sb de soude à l’aide d’une burette graduée. Le pH du mélange sera mesuré à l’aide d’un pH qui devra être préalablement étalonné (réglé).
Mode opératoire :
- Introduire dans un bécher haut, à l’aide d’une éprouvette graduée, environ 20 mL de jus de chou rouge.
- Introduire dans le même bécher, à l’aide d’une éprouvette graduée, 40 mL de solution acide Sa. - Procéder à l’étalonnage du pH-mètre (suivre la notice d’utilisation).
- Mesurer le pH du mélange réalisé précédemment. Reporter la valeur du pH et la couleur de la solution dans le tableau ci-dessous (0 mL de Sb versé).
- Prélever à l’aide d’un compte-goutte environ 3 mL de la solution pour l’introduire dans un tube à essai.
- Remplir la burette de solution Sb.
- Disposer les éléments comme sur le schéma ci-contre, à légender. Laisser en permanence l’agitation magnétique.
- Ajouter de la solution Sb dans le bécher jusqu’à obtenir un changement de couleur.
- Reporter alors le pH et la couleur de la solution dans le tableau ci-dessous.
- Prélever alors 3 mL du mélange à introduire dans un autre tube à essai. Et ainsi de suite…
2. Résultats :
Volume de solution Sb
ajouté (mL) 0
pH Couleur perçue
Photo : Marlen P. et Francis Z.
3. La couleur de la molécule de cyanidine dépend de sa structure. Voici trois exemples de structure que prend la cyanidine selon le pH de la solution dans lequel se trouve cette molécule. On a précisé pour chacune des structures la couleur perçue de la solution.
O+ O
OH
OH OH OH
Forme rouge Forme jaune
O O H
OH
OH OH
OH O
O
OH OH
O H
OH Forme bleu/vert
a. Déterminer la longueur d’onde maximale absorbée et le degré de conjugaison de chacune des structures de la cyanidine :
Forme λmax absorbée Degré de conjugaison
Bleu/vert 595-625 8
Jaune 435-480 8
Rouge 490-500 7
b. Montrer qu’il existe un paradoxe avec la règle établie dans le paragraphe II.2.
Selon la règle établie précédemment, plus le degré de conjugaison est élevé, plus la longueur d’onde maximale absorbée est élévée. Or d’après les observations, la forme jaune dont le degré de polymérisation est 8 absorbe majoritairement une longueur d’onde plus grande que la forme rouge dont le degré de polymérisation est 7.
c. Le groupe hydroxyle « – OH » est un groupe auxochrome (du grec auxein qui signifie accroître et chromos qui signifie couleur). Proposer une explication au paradoxe mis en évidence en
comparant les structures des molécules.
La forme jaune comporte un groupe hydroxyle de plus que la forme rouge et que la forme bleu/vert. La présence de groupes hydroxyle aurait donc une influence sur l’énergie absorbée : La présence de groupes hydroxyles aurait tendance à accroître cette énergie et donc diminuer la longueur d’onde maximale absorbée.
IV. Conclusion :
Rédiger une conclusion résumant pourquoi les pigments sont des molécules colorés.
Rappelez quelles sont les caractéristiques structurelles qui influencent la couleur d’un pigment chimique et comment ces caractéristiques agissent sur la couleur majoritairement absorbée.
Préciser quels facteurs peuvent influencer la structure de ces molécules et donc leur structure.
La couleur d’une molécule dépend de la longueur d’onde de la radiation majoritairement absorbée.
Cette énergie permet aux électrons de passer du niveau le plus haut occupé au niveau le plus bas vacant.
L’écart entre les deux niveaux dépend :
- du nombre de liaisons conjuguées présent dans la molécule ; c’est le degré de polymérisation : plus le degré de polymérisation est important, plus l’écart entre les deux niveaux est faible ; la longueur d’onde majoritairement absorbée en
- de la présence de groupements auxochromes
Ces caractéristiques peuvent être modifiées par le pH du milieu dans lequel se trouve la molécule.
L’interaction de la molécule avec le solvant peut également modifier sa structure et donc sa couleur.
