Couleur d`une substance absorbante et structure de la molécule

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
couleur
max absorbée
couleur perçue
absorbée
(nm)
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)
E  h f 
hc

E (eV)
(J)
416
519
625
735
4,78x10-19
3,83x10-19
3,18x10-19
2,70X10-19
2,99
2,39
1,99
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.
Degré
de
Ecriture topologique des cyanines
conjugaison
Energie
absorbée
(eV)
λmax
absorbée
(nm)
3
2,99
416
JauneVert
4
2,39
519
Pourpre
5
1,99
625
Bleu
6
1,69
735
Bleu
Vert
+
N
N
N
Couleur
perçue
+
N
+
N
N
+
N
N
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 S a.
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.
OH
O
HO
OH
OH
O
OH
OH
O
HO
O
O
OH
OH
Forme bleu/vert
OH
OH
Forme jaune
+
OH
OH
Forme rouge
a. Déterminer la longueur d’onde maximale absorbée et le degré de conjugaison de chacune des
structures de la cyanidine :
Forme
Bleu/vert
Jaune
Rouge
λmax absorbée
595-625
435-480
490-500
Degré de conjugaison
8
8
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.