Couleur d’une substance absorbante et structure de la molécule I. Couleur des cyanines
Les cyanines sont des pigments utilisées pour produire la gamme de couleurs qui forment une image sur un film photographique.
Document 1 : Formules topologiques et semi-développées de quelques cyanines
Ecriture topologique Formule semi-développée
1 N
+
N N
CH CH
CH CH
CH N+
CH3 C
H3 CH3
CH3
2 N
N + N
CH CH
CH CH
CH
CH3 C H3
CH CH
N+
CH3 CH3
3
N+
N N
CH CH
CH CH
CH
CH3 C H3
CH CH
CH CH
N+
CH3 CH3
4 N
+ N
N CH
CH CH
CH CH
CH3 C H3
CH CH
CH CH
CH CH
N+
CH3 CH3
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. (- = - = - = - ….).
Le degré de conjugaison d’une espèce chimique est le nombre de doubles liaisons conjuguées de son système conjugué le plus grand.
Document 3 : 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 faible que le degré de conjugaison de l’espèce chimique est élevé.
Document 4 : Longueur d’onde absorbée et couleur perçue
max absorbée
(nm) couleur perçue max absorbée
(nm) couleur perçue
400-435 jaune vert 560-580 Violet
435-480 Jaune 580-595 Bleu
480-490 Orangé 595-625 Bleu vert
490-500 Rouge 625-750 Vert
500-560 Pourpre
Travail à réaliser :
Les couleurs des cyanines présentés dans le document 1 sont : pourpre, vert, jaune vert et bleu vert.
Attribuer sa couleur à chacune des molécules.
D’après le document 3, plus le degré de conjugaison d’une molécule est élevé, plus l’écart énergétique entre HO et BV est faible. Il en résulte que plus le degré de conjugaison est élevé, plus l’énergie
absorbée est faible et donc plus la longueur d’onde absorbée est grande (λ=h.c /E : λ est inversement proportionnelle à E).
A partir des documents 1 et 2, on constate que le degré de conjugaison augmente de la molécule 1 à la molécule 4.
On déduit λabs doit également augmenter de 1 à 4.
A partir du tableau du document 4, on fait correspondes λabs à chaque couleur proposée.
Résultats :
Ecriture topologique des cyanines
Degré de
conjugaison
λmax
absorbée (nm)
Couleur perçue
N+
N 3 400-435 Jaune-
Vert
N+
N 4 500-560 Pourpre
N+
N 5 595-625 Bleu
Vert
N+
N 6 625-750 Vert
II. 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 :
pH 1,5 5,6 6,9 8,3 11,8 12,8
Couleur perçue Rouge Magenta Bleu Bleu Vert Vert Jaune
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.
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
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
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 des longueurs d’onde plus courtes 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. Le nombre et la position de groupes hydroxyle aurait donc une influence sur l’énergie absorbée : dans le cas de la forme jaune, les groupes hydroxyles aurait tendance à accroître cette énergie et donc diminuer la longueur d’onde maximale absorbée.
III. 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 et de la position 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.
IV. Application :
La cyanidine est une molécule extrêmement répandue : bleuet, coquelicot, cerise, fraise, framboise,…
en contiennent. Que peut-on conclure au sujet du pH de la sève du bleuet et du coquelicot ?
