La chimie à l’école — Années 1 à 12 · Grades 1–12
29Couleur et absorbance
Sur le banc d’une salle de sport, une bouteille de boisson énergétique brille d’un bleu vif. Sa couleur vient d’un colorant qui y est dissous, à raison de quelques milligrammes pour un litre entier : bien trop peu pour être pesé, et bien trop peu pour être vu à l’état solide. Un laboratoire d’analyse alimentaire doit pourtant contrôler cette quantité, car un colorant ne peut être ajouté que dans certaines limites. La couleur elle-même est la clé. Plus une solution contient de colorant, plus elle absorbe de lumière ; un instrument qui mesure la lumière absorbée par une solution mesure, en fait, une concentration.
Rappel
Les concentrations massique et molaire d’une solution ; la dilution d’une solution mère ; une échelle de teintes de solutions étalons comparée à une solution inconnue (Chapitre 26).
29.1 La couleur d’une solution
La lumière blanche, comme celle du jour, est un mélange de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel. À chaque couleur correspond une longueur d’onde, d’environ pour le violet à environ pour le rouge ; le livre de physique explique ce qu’est une longueur d’onde, et elle ne sert ici que d’étiquette pour une couleur. Une solution colorée absorbe une partie de la lumière qui la traverse, certaines couleurs beaucoup plus que d’autres ; l’œil voit les couleurs qui passent.
Définition 29.1 (Couleurs complémentaires)
Deux couleurs sont des couleurs complémentaires si leur mélange donne de la lumière blanche. Sur un cercle chromatique, deux couleurs complémentaires sont diamétralement opposées.
Proposition 29.2 (La couleur perçue)
Une solution qui absorbe principalement une couleur de la lumière blanche prend la couleur complémentaire de celle-ci.
Démonstration. Admis : la lumière qui passe est la lumière blanche privée de la couleur absorbée, et l’œil perçoit ce reste comme la couleur complémentaire. ∎
Exemple 29.3 (Deux colorants alimentaires)
Le colorant bleu de la boisson, appelé bleu brillant (E133), absorbe surtout la lumière rouge-orangé, vers : il paraît bleu. Le colorant jaune tartrazine (E102) absorbe surtout la lumière bleu-violet, vers : il paraît jaune. Une boisson verte contient en général les deux.
29.2 Le spectre d’absorption
Définition 29.4 (Spectre d’absorption)
Le spectre d’absorption d’une solution est le graphique de la lumière qu’elle absorbe (son absorbance, définie à la section suivante) en fonction de la longueur d’onde. La longueur d’onde pour laquelle l’absorption est la plus forte se note .
Remarque 29.5 (Lire un spectre)
Le colorant bleu n’absorbe presque rien au-dessous de : la lumière bleue et violette passe, et la solution paraît bleue. Le colorant jaune n’absorbe presque rien au-dessus de : la lumière verte, jaune, orange et rouge passe, et l’œil voit du jaune. À , seul le colorant bleu absorbe ; à , presque seulement le jaune.
29.3 L’absorbance et le spectrophotomètre
Définition 29.6 (Absorbance)
L’absorbance d’une solution, à une longueur d’onde choisie, est le nombre affiché par un spectrophotomètre qui mesure la part de la lumière de cette longueur d’onde absorbée par la solution. Elle n’a pas d’unité ; elle est nulle pour le solvant pur, et d’autant plus grande que la solution absorbe de lumière.
Remarque 29.7 (D’où vient ce nombre)
L’instrument calcule l’absorbance à partir des intensités de la lumière qui entre dans la solution et qui en sort, à l’aide d’une fonction mathématique rencontrée en dernière année de lycée, le logarithme. Un volume universitaire donne la formule ; ici, l’absorbance est simplement ce que lit l’instrument.
Au laboratoire — Faire le zéro du spectrophotomètre
La cuve, le solvant et l’instrument lui-même absorbent un peu de lumière. Avant toute mesure, on place dans l’instrument une cuve remplie du solvant pur, le blanc, et on règle l’appareil pour qu’il indique à la longueur d’onde choisie. Chaque mesure qui suit est l’absorbance du soluté seul. On tient toujours les cuves par leurs faces dépolies, et on les essuie : une trace de doigt sur une face transparente absorbe aussi de la lumière.
29.4 La loi de Beer–Lambert
Définition 29.8 (Coefficient d’absorption molaire)
Le coefficient d’absorption molaire d’une espèce dissoute, à une longueur d’onde donnée, mesure avec quelle force une mole de cette espèce absorbe la lumière ; il dépend de l’espèce, du solvant et de la longueur d’onde, et s’exprime en .
Proposition 29.9 (Loi de Beer–Lambert)
Pour une solution diluée d’une seule espèce absorbante, de concentration molaire , dans une cuve d’épaisseur , l’absorbance à une longueur d’onde donnée vaut
L’absorbance est proportionnelle à la concentration.
Démonstration. Admis ici ; la démonstration figure dans un volume universitaire. ∎
Remarque 29.10 (Avec une concentration massique)
Comme , la loi s’écrit aussi , avec en . Les spécifications des colorants alimentaires donnent : pour le colorant bleu E133 à , , et avec sa masse molaire de , . Une solution qui n’en contient que , dans une cuve de , donne déjà .
Remarque 29.11 (Solutions diluées seulement)
La proportionnalité n’est valable que pour les solutions diluées, en pratique pour des absorbances inférieures à 1 ou 1.5 environ sur un appareil ordinaire. Une solution trop concentrée est diluée d’un facteur connu avant d’être mesurée.
29.5 Mesurer une concentration
Définition 29.12 (Droite d’étalonnage)
Une droite d’étalonnage est le graphique de l’absorbance d’une série de solutions étalons d’une même espèce, mesurée à la même longueur d’onde dans la même cuve, en fonction de leur concentration. Quand la loi de Beer–Lambert est vérifiée, c’est une droite passant par l’origine.
Méthode 29.13 (Mesurer une concentration à l’aide d’une droite d’étalonnage)
- Enregistrer le spectre d’absorption de l’espèce et choisir la longueur d’onde , où l’absorbance est la plus grande et varie le moins pour une petite erreur sur la longueur d’onde.
- Faire le zéro de l’instrument avec le blanc.
- Préparer des solutions étalons par dilution d’une solution mère et mesurer leurs absorbances.
- Tracer en fonction de la concentration et tracer la droite passant par l’origine la plus proche des points.
- Mesurer l’inconnue, diluée si nécessaire pour que son absorbance se situe parmi celles des étalons, et lire sa concentration sur la droite (ou diviser par le coefficient directeur) ; multiplier par le facteur de dilution.
Exemple 29.14 (Les cinq étalons)
On dilue une solution mère du colorant bleu à pour obtenir de chaque étalon : pour , le facteur de dilution vaut 50, donc on complète de solution mère à . Les cinq étalons, de 1 à , donnent 0.168, 0.325, 0.494, 0.652 et 0.823 : à quelques millièmes près , la droite de la figure.
29.6 Exercices
Exercice 29.1 ★
Une solution absorbe principalement la lumière orange. De quelle couleur paraît-elle ? Et une solution qui absorbe principalement la lumière violette ?
Solution
Solution de Exercice 29.1.
Si elle absorbe l’orange, elle paraît bleue, la couleur opposée à l’orange sur le cercle. Si elle absorbe le violet, elle paraît jaune.
Exercice 29.2 ★
À l’aide du cercle chromatique, donner la couleur principalement absorbée par une solution verte, et le domaine de longueurs d’onde qu’occupe cette couleur.
Solution
Solution de Exercice 29.2.
Une solution verte absorbe principalement la lumière rouge, la couleur opposée au vert sur le cercle : d’environ à .
Exercice 29.3 ★
Lire sur les spectres d’absorption la longueur d’onde de chaque colorant et son absorbance à cette longueur d’onde.
Solution
Solution de Exercice 29.3.
Colorant bleu : , . Colorant jaune : , , soit environ 0.80.
Exercice 29.4 ★
Une solution de colorant à donne . Quelle absorbance donne une solution du même colorant à , dans la même cuve, à la même longueur d’onde ? Et à ?
Solution
Solution de Exercice 29.4.
est proportionnelle à la concentration : trois fois plus donne ; deux fois moins donne .
Exercice 29.5 ★
Qu’est-ce que le blanc d’un spectrophotomètre, et pourquoi fait-on le zéro de l’instrument avec lui ?
Exercice 29.6 ★★
À l’aide de la droite d’étalonnage du colorant bleu, trouver la concentration d’une solution qui donne .
Solution
Solution de Exercice 29.6.
.
Exercice 29.7 ★★
Pour doser le colorant bleu, pourquoi régler le spectrophotomètre sur plutôt que sur ? Donner deux raisons.
Solution
Solution de Exercice 29.7.
À , l’absorbance est la plus grande : la mesure est la plus sensible (de petites concentrations donnent encore des absorbances lisibles) ; et au sommet de la bande la courbe est plate, si bien qu’une petite erreur sur la longueur d’onde change à peine la mesure. À , l’absorbance est faible et varie vite avec la longueur d’onde.
Exercice 29.8 ★★
Une boisson non diluée donne à , une valeur trop élevée pour être fiable. On la dilue cinq fois, et elle donne alors . Trouver la concentration de colorant bleu dans la boisson.
Solution
Solution de Exercice 29.8.
Diluée : ; la boisson : (plus précisément ).
Exercice 29.9 ★★
Une solution de tartrazine à donne à dans une cuve de . Calculer son coefficient d’absorption massique en , puis son coefficient d’absorption molaire (masse molaire ).
Solution
Solution de Exercice 29.9.
; .
Exercice 29.10 ★★
Observer les spectres des deux colorants. Au-dessus de quelle longueur d’onde le colorant jaune n’absorbe-t-il presque plus ? Pourquoi peut-on doser le colorant bleu à même dans une boisson verte qui contient aussi le colorant jaune ?
Solution
Solution de Exercice 29.10.
Au-dessus d’environ . À , le colorant jaune n’absorbe pas du tout : toute l’absorbance y est due au colorant bleu.
Exercice 29.11 ★★
On mesure la même solution dans une cuve de d’épaisseur au lieu de . Comment son absorbance change-t-elle ? Pourquoi ?
Solution
Solution de Exercice 29.11.
Elle double : est proportionnelle à ; la lumière traverse deux fois plus de solution, donc deux fois plus de molécules absorbantes.
Exercice 29.12 ★★★
Des étalons du colorant bleu à 5, 10, 20 et donnent 0.82, 1.62, 2.30 et 2.70. Calculer pour chacun. Que remarque-t-on ? Quels étalons peut-on utiliser pour une droite d’étalonnage, et que faut-il faire d’une inconnue qui donne ?
Solution
Solution de Exercice 29.12.
: , , , . Le rapport n’est constant que pour les deux premiers : au-delà d’environ (absorbances supérieures à 1.6 environ), la loi n’est plus vérifiée. Seuls les étalons à 5 et (et les plus dilués) peuvent servir ; une inconnue qui donne 2.5 doit être diluée, par exemple cinq fois, puis mesurée de nouveau.
Exercice 29.13 ★★★
Une boisson verte contient le colorant bleu et le colorant jaune. Dans une cuve de , elle donne à et à . À , le colorant bleu n’absorbe presque rien, et à le colorant jaune n’absorbe rien. Trouver les concentrations massiques des deux colorants (utiliser et ).
Solution
Solution de Exercice 29.13.
Colorant bleu, d’après seule : . Colorant jaune, d’après : .
Exercice 29.14 ★★★
Une élève oublie le blanc et fait le zéro de l’instrument avec une cuve vide. Chaque mesure est alors trop élevée de . L’inconnue donne , et elle divise par le coefficient directeur de la vraie droite d’étalonnage. Quelle concentration trouve-t-elle ? Quelle est la vraie ? De quel pourcentage se trompe-t-elle ?
Solution
Solution de Exercice 29.14.
Elle trouve . La vraie absorbance est , si bien que la vraie concentration vaut . Elle se trompe de par excès.
Exercice 29.15 ★★★
La dose journalière admissible de tartrazine est de par kilogramme de masse corporelle. Une boisson en contient . Quel volume de boisson amènerait un adulte de à cette dose en une journée ? Ce risque est-il réaliste ?
Solution
Solution de Exercice 29.15.
par jour, dans de boisson. Personne ne boit trente litres par jour : la boisson seule ne présente pas de risque réaliste, même si le colorant peut aussi venir d’autres aliments.
29.7 Problème : le bleu d’une boisson énergétique
Problème 29.1
Problème du week-end — combien de bouteilles d’une boisson énergétique bleue un enfant devrait-il boire pour atteindre la limite journalière sans risque de son colorant ?
Un laboratoire d’analyse alimentaire contrôle le colorant bleu E133 d’une boisson énergétique vendue en bouteilles de . Les spécifications du colorant donnent sa masse molaire, , et sa dose journalière admissible : par kilogramme de masse corporelle et par jour, une quantité qui peut être consommée chaque jour pendant toute une vie sans risque appréciable.
Partie I — Couleur et spectre.
- La boisson paraît bleue. À l’aide du cercle chromatique, déterminer la couleur de lumière qu’elle absorbe le plus.
- Lire la longueur d’onde du colorant sur son spectre.
- Pourquoi l’absorbance du colorant est-elle presque nulle à ? Est-ce cohérent avec sa couleur ?
- À quelle longueur d’onde faut-il faire les mesures ?
Partie II — La droite d’étalonnage.
- On dissout de colorant pur pour obtenir de solution mère. Calculer sa concentration massique en .
- On prépare des étalons à 1.0, 2.0, 3.0, 4.0 et , chacun. Quel volume de solution mère faut-il pour l’étalon à ? Avec quelle verrerie ?
- Les étalons donnent 0.168, 0.325, 0.494, 0.652 et 0.823. Calculer pour chacun, et montrer que les points sont proches d’une droite passant par l’origine, de coefficient directeur voisin de .
- Pourquoi la droite doit-elle passer par l’origine ?
- En déduire le coefficient d’absorption massique du colorant en (cuve de ), puis son coefficient d’absorption molaire.
Partie III — La boisson.
- On complète de boisson à avec de l’eau. Quel est le facteur de dilution ?
- La boisson diluée donne . Trouver sa concentration en colorant.
- En déduire la concentration en colorant de la boisson elle-même.
- Quelle absorbance donnerait la boisson non diluée ? Pourquoi l’a-t-on diluée ?
- Calculer la masse de colorant d’une bouteille.
- Calculer la quantité de colorant, en moles, d’une bouteille.
Partie IV — La dose journalière admissible.
- Quelle masse de colorant un enfant de peut-il absorber chaque jour ?
- Combien de bouteilles l’enfant devrait-il boire en une journée pour l’atteindre ?
- Quel volume de boisson cela représente-t-il ? Commenter.
- Même question pour un adulte de .
- Donner la réponse finale : combien de bouteilles de un enfant de devrait-il boire en une journée pour atteindre la dose journalière admissible du colorant ?
Solution
Solution de Problème 29.1.
1. Le rouge-orangé, la couleur opposée au bleu sur le cercle.
2. .
3. À , la lumière est bleue : le colorant la laisse passer, et c’est exactement pour cela que la boisson paraît bleue.
4. À .
5. .
6. Facteur de dilution , donc : une pipette graduée (ou une burette) et une fiole jaugée de .
7. = 0.168, 0.163, 0.165, 0.163, 0.165 : toutes proches de 0.164, donc , une droite passant par l’origine.
8. Une solution sans colorant () est le blanc, réglé à .
9. par centimètre, soit ; .
10. .
11. .
12. .
13. Environ , au-dessus de l’étalon le plus concentré (0.823) : la mesure sortirait du domaine étalonné, où la loi peut ne plus être vérifiée. La dilution la ramène parmi les étalons.
14. .
15. .
16. par jour.
17. bouteilles.
18. en une journée : impossible à boire. Le colorant de cette boisson ne peut pas, à lui seul, amener un enfant près de la limite, même si les colorants de plusieurs aliments s’additionnent.
19. , soit bouteilles.
20. Environ 50 bouteilles de , soit de boisson, en une seule journée.