L’origine de la couleur :
La couleur peut avoir deux origines: la décomposition de la lumière : comme à travers un prisme.
l’absorption d’une fraction de la lumière : par une substance « colorante ».
IL existe deux types de matières colorées
Ne sont pas solubles dans l’eau
La nature et la couleur :
.1. Les pigments de nature végétale ou animale
Les hommes de la préhistoire ont utilisé des terres colorées et des ocres pour la décoration de leurs corps ou des parois des cavernes. Par exemple, dans la grotte de Lascaux, on a découvert des peintures réalisées 17 000 ans avant J.C. avec des pigments jaunes, rouges, bruns, noirs et blancs. Des colorants naturels, d'origine végétale, minérale ou animale, étaient connus depuis l'Antiquité pour teindre les textiles. On connaissait par exemple l'indigo ou le pastel, teignant en bleu, ou la pourpre tyrienne et la garance, qui donnaient un beau rouge.
Cependant ces composés étaient rares et chers, à tel point que la pourpre était symbole de royauté ("revêtir la pourpre"). Elle était en effet extraite du Murex (un coquillage) et il fallait 12 000 de ces coquillages pour obtenir 1,5 g de colorant.
Pourpre de Tyr : teinture rouge violacée extraite d'un mollusque gastéropode marin, le murex. Murex brandaris
Rouge garance : extrait d'une plante grimpante de la famille des rubiacées (latin : Rubia tinctorum ). On extrait le colorant de ses rhizomes broyés et séchés.
Dès l'Antiquité, les Egyptiens teignaient au pastel (Isatis tinctoria en latin) les bandelettes dont ils emmaillotaient leurs momies. Ils se servaient aussi de colorants pour décorer les poteries, pour préparer les fards (maquillage).
Le Moyen-Age, à son tour, reconnut ses vertus médicinales et cicatrisantes. Selon les archives marseillaises ce sont les Maures qui introduisirent le pastel dans tout le sud de l'Europe.
Le début du XVe siècle le vit fleurir en Angleterre, alors que
quelques temps plus tard, les pays du nord se spécialisent dans la teinture en redécouvrant les propriétés tinctoriales de cette plante.
Quelques molécules de la couleur
2.2. Les pigments de nature minérale :
Depuis l’Antiquité jusqu’à nos jours, la palette des peintres s’est progressivement enrichie. Le XIXe siècle constitue un tournant important en raison des avancées majeures en chimie consécutives à la révolution chimique de la fin du XVIIIe siècle.
De nouveaux pigments minéraux sont synthétisés (à base de cobalt, de chrome, de cadmium, notamment). Parallèlement, divers travaux fournissent à la chimie organique les bases conceptuelles qui lui manquaient. Des colorants synthétiques pour la teinture sont ainsi fabriqués et certains donnent lieu à des pigments laqués
La liste des pigments est longue et il serait fastidieux de les passer tous en revue.
C’est pourquoi une attention particulière sera portée dans la suite de ce chapitre à ceux qui offrent le plus d’intérêt au regard à la fois de la chimie et de l’art. Le tableau recense les principaux pigments employés par les peintres depuis l’Antiquité.
LES OCRES : UNE BELLE PALETTE DE COULEURS
La goethite est l’oxyhydroxyde de fer (FeOOH) de couleur jaune, et l’hématite l’oxyde ferrique (Fe2O3) de couleur rouge. Leur point commun est la présence d’un ion ferrique Fe3+ au centre d’un octaèdre dont les sommets sont occupés par six ions O2– dans le cas de l’hématite, mais par trois ions O2– et trois ions OH– pour la goethite. Une telle différence d’environnement de l’ion ferrique est responsable de la différence de couleur des deux composés, car les longueurs d’onde auxquelles ces derniers absorbent ne sont pas les mêmes. La déshydratation de la goethite par chauffage conduit à l’hématite selon la réaction :
2 F
La température de cuisson a un effet crucial sur la couleur : orange à 300 °C, rouge à 950 °C. La couleur orangée provient du mélange de goethite et d’hématite.
Les ocres commerciales offrent ainsi toute une palette de couleurs fort appréciée.
L’ajout de charges minérales blanches (kaolinite, quartz, ou calcite), éclaircit les couleurs. Les carrières d’ocres du Roussillon (Provence) sont exploitées depuis 1785 et demeurent l’une des principales sources d’ocres françaises. Leur utilisation dépasse le domaine de l’art puisqu’elles sont également mises en œuvre dans les peintures en bâtiment, les revêtements, les matériaux de construction, etc
La différence de couleur entre la goethite et l’hématite s’explique par la différence des nombres d’ions O2– et OH– entourant l’ion ferrique central.
Les colorants industriels :
Le premier colorant industriel, la mauvéine, fut découvert par hasard pendant les vacances de Pâques de 1856 par le jeune W. H. Perkin, alors âgé de 18 ans, assistant de A.W. Hofmann, chimiste allemand (1818-1892).
Pour le jeune Perkin, l’oxydation de la N-allyl-toluidine (C10H13N) était supposée former la quinine (C20H24N2O2) selon l’équation :
2 C10H13N + 3O -> C20H24N2O2 +H2O
Mais les structures développées du produit obtenu et de la quinine n’ont aucun rapport. De la pâte goudronneuse obtenue, il extrait par de l’éthanol une solution violette colorée par une substance qu’il nomme mauvéine.
De nos jours nous connaissons les formules développées de tous ces composés.
En 1857, contre l'avis de Hofmann, Perkin quitta son poste d'assistant et fonda avec son père et son frère une compagnie pour commercialiser ce mauve appelé « mauve Perkin ». Pendant que se construisait l'usine, Perkin mettait au point la préparation industrielle du colorant et découvrait par la même occasion de nouvelles techniques de teinture. Le tout fut fait en six ou sept mois dans une buanderie !
Le colorant, fabriqué avec des matières premières peu coûteuses, fut un grand succès et se vendait très cher : des usines se développèrent dans plusieurs pays car il y avait beaucoup d'argent à gagner.
En 1874, fortune faite, Perkin vendit ses usines, se remit à la chimie et s’imposa comme l’un des plus grands organiciens du XIXe siècle.
En 1880, Adolf Van Baeyer, chimiste allemand et professeur à l'université de Munich, détermine la structure de la molécule d'indigo et parvient à la synthétiser.
Perkin et Baeyer permettent alors l'essor des colorants de synthèse (Baeyer a reçu le prix Nobel de chimie en 1905, notamment pour ses travaux sur le développement des colorants) et affaiblissent l'extraction de colorants naturels comme l'indigo ou le pastel.
La concurrence aidant, vers 1900, une grande palette de colorants était déjà disponible, à des prix suffisamment modiques pour ruiner les planteurs de pastel ou autres plantes servant aux colorants naturels.
Relation entre couleur et pigments :
On se propose donc d’expliquer la couleur des pigments trouvés dans les feuilles d'épinards : .1. L’identification et séparation
Extraction :
Certaines plantes possèdent une forte concentration de chlorophylle dans les feuilles, comme les épinards d’où nous allons l’extraire
Matériel et produits : Mortier et pilon
Sable
Filtre + entonnoir Epinards
Solvant d’extraction : acétone Bécher + éprouvette.
Protocole
1. On placer dans un mortier une spatulée de sable
2. On ajouter quelques feuilles d’épinards bien vertes coupées en petits morceaux
3. On broie à sec les feuilles (destruction des parois cellulaires)
4. On ajouter 10 ml d’acétone (mesurés avec une éprouvette graduée de 10
ml) et continuer à broyer pendant 5 minutes, jusqu’à ce que le solvant soit vert foncé.
5. On filtrer le contenu du mortier dans un bécher. La solution obtenue est de la chlorophylle brute.
On obtient une solution de chlorophylle brute. Cette solution de chlorophylle brute va maintenant être utilisée pour identifier les différents pigments qui la composent
La couleur d’une molécule (et donc des pigments) correspond à la couleur des radiations non absorbées par la couleur, elle correspond donc à la couleur complémentaire de la couleur non absorbée.
Nous étudierons ici les deux familles de pigments que nous avons trouvées, les chlorophylles et les caroténoïdes. Nous nous intéresserons surtout aux carotènes et aux deux différents types de chlorophylle. Nous allons tout d’abord nous intéresser à ce qui donne la couleur à ces pigments.
La structure de base d’une molécule de colorant ou de pigment organique est appelée chromophore, mot d’origine grecque qui signifie « porteur de couleur ».
La couleur d’une molécule correspond aux radiations non absorbées par la molécule, elle correspond à la couleur complémentaire du mélange des radiations absorbées. De plus, grâce à l’image si dessus, on observe que plus le nombre de doubles liaisons conjuguées est grand, plus la
longueur d’onde d’absorption maximale sera grande.
Or, par simple observation, la chlorophylle a et b diffusent le vert (λ= 530nm) et absorbent donc du rouge (λ=800nm). 800nm étant une grande longueur d’absorption, on peut en conclure que la chlorophylle a ou b est une grande molécule possédant beaucoup de liaisons doubles conjuguées. De plus d'après leurs formules brutes elles possèdent beaucoup d'atomes de carbone ce qui est caractéristiques des longues molécules carbonées.
Les caroténoïdes présents dans les épinards diffusent l’orange (λ=620nm) et donc absorbent la couleur complémentaire de l’orange : le bleu (λ=465nm). Ils ont donc moins de liaisons doubles conjuguées que la chlorophylle
Spectre d'absorption des pigments bruts
Spectre brut La couleur d’une molécule correspondant à la couleur complémentaire du mélange des radiations absorbées, nous allons nous intéresser plus précisément aux radiations absorbées par nos pigments.
A l’aide d’un spectrophotomètre, il est possible d’identifier les radiations absorbées par les chlorophylles et les caroténoïdes que nous avons extrait des épinards en réalisant leurs spectres d’absorptions. Ces pigments absorbent dans les radiations visibles par l’œil humain, c’est-à-dire entre des longueurs d’ondes comprises entre400 et 780nm.
A : Spectre de la lumière blanche
B : Spectre d’absorption de la chlorophylle brute (mélange de pigments)
On remarque que les pigments bruts absorbent la lumière visible jusqu’à environ 500nm (bleu) et les longueurs d’onde supérieures à 650-750nm
Spectres d’absorption des différents pigments:
On observe un pic d’absorption a environ 420nm et un deuxième a environ 650nm.
La chlorophylle a absorbe donc les rayonnements violets et les rayonnements orange-rouge de la lumière blanche qu’elle reçoit. En se rapportant au cercle chromatique, elle diffusera donc les radiations aux environ de 550nm et de 580nm correspondant respectivement à la couleur verte et à la couleur jaune.
La chlorophylle b quant à elle absorbe fortement aux environ de 450nm (bleu) et de 650nm (rouge-orangé). Elle diffusera donc du jaune-orangé (600nm) et du vert (580nm). Elle diffuse plus de jaune que la chlorophylle a, c’est pour cela qu’elle apparaît plus jaune sur la chromatographie.
Les caroténoïdes, quant à eux, absorbent majoritairement le bleu et une partie du vert (entre 420 et 500nm). Il diffuse donc aux environ de 600nm ce qui correspond à du jaune orangé.
C’est pour cela que les xanthophylles et les carotènes nous apparaissent orange lors de la chromatographie sur papier.
Les chlorophylles et les caroténoïdes sont des molécules solubles dans des solvants organiques et peuvent donc être séparés à l'aide d'un solvant. Ces molécules sont dites liposolubles.
Séparation
Pour séparer les différents pigments, nous allons réaliser une chromatographie sur papier ou une plaque CCM.
Principe : la chromatographie consiste à entraîner des molécules par un solvant sur un support (ici papier Wathman) sachant que chaque pigment possède une vitesse de déplacement qui lui est propre. le solvant va migrer par capillarité de bas en haut en entraînant les constituants du mélange préalablement déposés sur le support.
Le solavant utilisé ici est un mélange constitué, en volume, de 85% d’éther de pétrole, 10%
d’acétone et de 5% de cyclohexane.
Sur une bande de papier Whatmanon trace une ligne de dépôts, au crayon à papier, à 2 ou 3cm du bord inférieur. Puis on place un point de dépôt au milieu de cette ligne. On dépose, à l’aide d’un capillaire, plusieurs gouttes de solution de chlorophylle brute sur le point de dépôt, en séchant la feuille entre chaque goutte déposée, jusqu’à obtenir une tache bien colorée.
On suspend la bande de papier dans la cuve à l’aide du crochet fixé sur le bouchon, la ligne de dépôt devant être juste au dessus du solvant. Puis on bouche la cuve.
On place le cylindre opaque sur la cuve afin de la placer dans l’obscurité. En effet, la chlorophylle se dégrade sous l’action de la lumière
On laisse monter le solvant par capillarité le long de la bande de papier sur une dizaine de centimètres. On sort délicatement la bande de papier de la cuve et on marque la position du solvant.
Résultats : On comptabilise 4 tâches : une jaune-orangé, une jaune, une verte-bleue et une verte-jaune donc la feuille d’épinard contient 4 pigments différents.
Conclusion : On a donc montré que les pigments chlorophylliens des végétaux sont en réalité un mélange de pigments rouges, verts, jaunes :
La tâche jaune-orangé correspond au carotène
La tâche jaune correspond à différentes xanthophylles La tâche verte-bleue correspond à la chlorophylle a La tâche verte-jaune correspond à la chlorophylle b.
Chromatographie sur colonne de silice :
Références
La chimie crée sa couleur… https://www.mediachimie.org › ressource ›
« chimie des couleurs et des odeurs », M. Capon, V. Courilleau, C. Valette. Dossier « La couleur », 2000
Des colorants naturels à l'essor de la chimie organique http://spcfa.spip.ac-rouen.fr http://tpecosmetiquesetpigments.e-monsite.com
Pigments, colorants P. Bellanca-Penel, Lycée Ampère, Lyon
