1° S - Retour Sommaire - Informations

(Pensez à utiliser la commande "Précédente" du navigateur et la touche F11 du clavier)

 

Leçon n° 6 : REACTIONS CHIMIQUES ET MATIERES COLOREES

 

Cette leçon comporte quatre paragraphes.

 

1- LES PIGMENTS ET LES COLORANTS


Parmi les substances colorées on distingue les pigments et les colorants. Ces substances colorées peuvent être naturelles ou artificielles.


1-1 Les pigments insolubles

Les pigments sont mélangés à un liant dans lequel ils sont insolubles et se fixent donc à la surface de líobjet à colorer sans le pénétrer.

Propriétés :

Les pigments existent dans la nature sous forme minérale (par exemple les ocres argileuses brunes, rouges ou jaunes) ou sous forme organique (par exemple la sépia brune sécrétée par certains mollusques marins).

Les pigments peuvent aussi être synthétisés dans des laboratoires (par exemple le bleu égyptien ou le vermillon de mercure rougeâtre).

Les pigments sont souvent réduits en poudre et mis en suspension dans divers liquides ou dispersés dans un solide pour fabriquer des peintures, des encres, des fards, des enduits.

Il n'y a pas de réactions chimiques entre les pigments et le liant.

La couleur d'un pigment peut varier en fonction de l'environnement. L'ocre jaune est un oxyde de fer hydraté alors que l'ocre rouge est un oxyde de fer non hydraté. On passe de l'ocre jaune à l'ocre rouge en déshydratant l'ocre jaune par simple chauffage.

Les pigments trouvent leur application dans la cosmétique, la peinture, les encres, les revêtements, la plasturgie, la verrerie, la céramique, le béton.


1-2 Les colorants solubles

Les colorants, eux, sont dissous dans une solution et pénètrent en profondeur líobjet à colorer.

Propriétés :

Au contraire des pigments, les colorants absorbés par le support peuvent souvent réagir chimiquement avec les molécules dont ils changent la couleur.

Par exemple, un tissu bleu plongé dans un bain de colorant jaune deviendra vert par combinaison du colorant jaune avec le bleu.

On retrouve les colorants dans l'alimentation, la chimie, la cosmétique, la plasturgie, le textile et le cuir.

Remarques

· La différence essentielle entre un pigment et un colorant est que le pigment est insoluble dans le milieu qu'il colore, alors que le colorant, lui, est une substance qui est soluble dans le liant. De plus, pendant et après cette dissolution, il interagit souvent avec le milieu dans lequel il est introduit pour le colorer.

· Nous verrons que certaines substances colorées peuvent changer de couleur en fonction des conditions : la couleur des ocres dépend de la température à laquelle elles ont été chauffées ; la couleur díune solution de « rouge carmin » dépend de líacidité de la solution.

· Nous verrons aussi que l'on peut séparer les espèces chimiques colorées díune substance à líaide díune chromatographie sur couche mince.

Avant de poursuivre nous allons revenir sur quelques notions de chimie déjà étudiées.

 

2- RAPPELS DE CHIMIE (voir la leçon 2)


2-1 La
mole unité de quantité de matière

La mole est l'unité internationale de quantité de matière, équivalente à la quantité de matière d'un système contenant autant d'entités élémentaires qu'il y a d'atomes dans 0,012 kg de carbone 12. (1)

1 mole d'atomes = 6,02 ´ 10 23 atomes (2)

1 mole de molécules = 6,02 ´ 10 23 molécules (3)

 Le nombre NA = 6,02 x 10 23 / mol est appelé constante d'Avogadro. (4)

  Remarque : Le symbole du mot mole est mol comme le symbole du mot mètre est m. (5)

1 douzaine de molécules = 12 molécules 1 mole de molécules = 6,02 ´ 10 23 molécules (6)


2-2 Masse molaire atomique - Masse molaire moléculaire

· La masse molaire atomique d'un isotope est égale la masse d'une mole d'atomes :

M (C) = 12 g/mol M (H) : 1 g/mol M (O) = 16 g/mol M (N) = 14 g/mol (7)

· La masse molaire moléculaire est égale à la masse d'une mole de molécules :

M (H2O) = 1 ´ 2 + 16 = 18 g/mol (8)

M (CH3NH2) = M (CH5N) = 12 + 1 ´ 5 + 14 = 31 g/mol (9)


2-3 Quantité de matière et concentration

Cas d'un corps pur (solide, liquide ou gazeux)

Si M est la masse molaire moléculaire du corps pur et si n est la quantité (en mole) de ce corps pur, la masse m de corps pur est évidemment :

m = n ´ M (10)

La quantité de matière est donc :

n = m / M (10 bis) Souvent, en chimie, m est en g, M est en g / mol et n est donc en mol.


2-4 Cas d'une solution. Concentration molaire volumique en soluté apporté. Concentration molaire volumique des ions en solution

Exemple : On dissout n = 0,10 mole de sulfate de sodium (solide ionique de formule statistique Na2SO4) dans de l'eau. La solution a un volume V = 0,50 L.

La concentration molaire volumique C en soluté apporté est C = nsoluté / V.

On obtient ici :

C = n / V = 0,10 / 0,50 = 0,20 mol / L (11)

La réaction associée à la dissolution du sulfate de sodium s'écrit :

Na2SO4 (s) 2 Na + (aq) + SO4- - (aq) (12)

1 Na2SO4 (s) 2 Na + (aq) + 1 SO4- - (aq) (13)

On voit que l'apport de n = 0,10 mole de sulfate de sodium solide fait apparaître, en solution :

n (Na +) = 0,20 mole d'ions sodium Na + (aq) (14)n (SO4 - -) = 0,10 mole d'ions sulfate SO4- - (aq) (15)

Les concentrations molaires volumiques des espèces effectivement présentes dans la solution sont notées [ Na + ] et [ SO4- - ] :

[ Na + ] = n (Na +) / V = 0,20 / 0,50 = 0,40 mol / L (16)[ SO4- - ] = n (SO4- -) / V = 0,10 / 0,50 = 0,20 mol / L (17)


2-5 Concentration massique ou titre massique t d'une solution

Les chimistes utilisent la concentration molaire volumique C = n / V mais aussi la concentration massique (ou titre massique) t défini par :

t = m / V (18)

Unités S.I. : m est la masse du soluté en kg V est le volume de la solution en m3 t est le titre massique en kg / m3.

En chimie, on emploie souvent des unités ne faisant pas partie du système international, le titre massique t s'exprime fréquemment en g / L. (19)

Exemple : On dissout n = 0,020 mole de chlorure ferrique (solide ionique de formule statistique FeCl3) dans de l'eau. La solution a un volume V = 0,500 L. On donne M (FeCl3) = 162,5 g / mol.

La masse de n = 0,020 mol de chlorure ferrique FeCl3 dissous est m = n x M = 0,020 x 162,5 = 3,25 g (20)

La concentration massique (titre massique) est :

t = m / V = 3,25 / 0,500 = 6,50 g / L (21)

Remarque : On peut écrire t = m / V = n x M / V = (n / V) x M , soit :

t = C x M (22)

Dans l'exemple proposé on vérifie bien que :

t (FeCl3) = C ´ M = (n / V) x M = (0,020 / 0,500) x 162,5 = 6,50 g / L (23)

 

3- REACTION CHIMIQUE : réactif limitant, stoechiométrie, avancement de la réaction


3-1- Transformation chimique

a) Système chimique

Un système chimique, formé d'espèces chimiques en présence, est décrit par la nature de ces espèces chimiques, leur état physique (solide, liquide, gaz), leur quantité, la température et la pression.

Voici un exemple de système chimique dans son état initial (aluminium et solution aqueuse d'acide chlorhydrique) avant la réaction chimique :

Etat initial (avant transformation chimique)

· Al (s) : 0,15 mole

· H +(aq) : 0,10 mole

· Cl -(aq) : 0,10 mole

· Eau (liq) : en excès

· T = 298 K (soit environ 25° C)

· p = 1,013 ´ 10 5 Pa

La notation (s) désigne l'état solide. La notation (liq) désigne l'état liquide. La notation (g) désigne l'état gazeux.

b) Transformation d'un système chimique

· Un système chimique subit une transformation chimique si la nature et (ou) la quantité de matière des espèces chimiques initialement présentes évolue au cours du temps. Les espèces qui disparaissent totalement ou en partie sont les réactifs. Les espèces chimiques qui apparaissent sont les produits de la transformation.

Remarque : On qualifie d'initial l'état d'un système chimique qui n'a pas encore subi de transformation et de final l'état du système lorsque la transformation est terminée.

· Le système précédent (aluminium Al et acide chlorhydrique H +(aq) + Cl -(aq) ) subit une transformation chimique à laquelle on peut associer l'équation de réaction :

2 Al (s) + 6 H +(aq) + 6 Cl -(aq) 2 Al + + +(aq) + 6 Cl -(aq) + 3 H2(g) (24)

- L'espèce chimique Cl -(aq) n'est pas modifiée, on dit que c'est une espèce chimique spectatrice. On peut la supprimer de l'équation :

2 Al (s) + 6 H +(aq) 2 Al + + +(aq) + 3 H2(g) (24 bis)

2 moles d'aluminium réagissent avec 6 moles d'ions H + pour donner 2 moles d'ions Al + + + et 3 moles de dihydrogène

Le coefficient placé devant chaque espèce chimique est appelé nombre stúchiométrique.

Ces nombres stúchiométriques sont choisis de façon à respecter :

- la conservation des éléments chimiques.

- la conservation de la charge électrique (6 charges électriques élémentaires positives dans l'équation 24 bis ci-dessus).

· Remarques :

- L'équation (24 bis) peut aussi s'écrire :

Al (s) + 3 H + (aq) Al + + + (aq) + 3/2 H2 (g) (25)

- On peut aussi écrire l'ion H + (aq) sous la forme d'ion oxonium H3O + (voir la leçon 2) et écrire :

Al (s) + 3 H3O + Al + + + (aq) + 3/2 H2 (g) + 3 H2O (26)


3-2 Avancement d'une réaction chimique

L'avancement x d'une réaction est une grandeur, exprimée en mole, qui permet d'exprimer  les quantités de réactifs restants et de produits formés à tout instant de la transformation chimique qui permet de passer de l'état initial à l'état final.

Reprenons l'exemple précédent de l'action de l'acide chlorhydrique sur l'aluminium et exprimons l'état du système à un instant quelconque t (état intermédiaire) en fonction de l'avancement x de la réaction :

(27)


3-3 Réactif limitant

La réaction est terminée (système à l'état final) lorsque l'un des réactifs (au moins) a disparu. Ce réactif est appelé réactif limitant.

Remarque :  Si les réactifs étaient dans des proportions stúchiométrique alors ils disparaîtraient, tous, totalement. D'après l'équation :

2 Al (s) + 6 H + (aq) 2 Al + + + (aq) + 3 H2 (g) (24 bis) cela se produirait si, initialement, on avait :

n( Al ) / 2 = n( H + ) / 6 (en mol) (28)


3-4 Avancement maximal xmax

L'avancement maximal xmax est atteint lorsque la quantité de réactif limitant est devenue nulle.

Recherchons l'avancement maximal dans l'exemple ci-dessus.

(27)

· Si le réactif limitant était l'aluminium Al, l'avancement maximal correspondrait à :

0,15 - xmax = 0 (28)

xmax = 0,15 mol.

Le tableau ci-dessus s'écrirait :

(29)

Cette hypothèse est fausse car elle donnerait n ( H + )final = - 0,05 mol. Cette valeur négative est absurde. (29)

La seule autre hypothèse, consistant à supposer que le réactif limitant est l'ion  H + (aq), sera donc la bonne.

· La réaction sera terminée lorsque le réactif limitant H + (aq) aura disparu. Cela s'écrit :

0,10 - 3 xmax = 0

xmax = 0,10 / 3 = 0,033 mol. (30)

Le tableau suivant donne, notamment, l'état final du système :

(31)


3-5 Hydrogène recueilli sur la cuve à eau

Les calculs ci-dessus montrent qu'à la fin de la réaction n (H2) = 0,075 mol de dihydrogène se sont dégagés.

- Ce gaz H2 peut se dégager dans l'air de la salle; il occupe alors tout le volume qui lui est offert. La température, après quelques instants, est T = 298 K (soit environ 25° C) et la pression du mélange air-hydrogène est égale à la pression atmosphérique p = 1,013 ´ 10 5 Pa (voir le tableau).

- Cet hydrogène gazeux peut être recueilli sur la cuve à eau :

(32)


3-6 Remarques importantes

· Si l'un des réactifs est coloré et si cette couleur persiste à la fin de la réaction alors ce réactif était en excès. (33)

· Il existe des situations plus délicates où la réaction n'est pas totale, même pour le réactif apparemment en défaut. C'est le cas des réactions chimiques aboutissant à un équilibre chimique (classe terminale). (34)

 

4- LOI DE BEER-LAMBERT - DOSAGE D'UNE SOLUTION COLOREE PAR ETALONNAGE


4-1 Rappel : Spectre d'émission continu d'une lampe à incandescence

La lumière blanche émise par le soleil ou par une lampe à incandescence peut être analysée par un prisme ou par un réseau.

(35)

Sur l'écran on observe un spectre continu. Dans le domaine visible, ce spectre s'étale du violet (longueur d'onde dans l'air l v= 400 nm) jusqu'au rouge (longueur d'onde dans l'air ou le vide l r= 800 nm) :

(36) 

Remarque 1 : Le spectre électromagnétique

En fait, le spectre de la lumière visible fait partie du spectre électromagnétique beaucoup plus vaste s'étendant du rayonnement gamma (longueur d'onde pouvant descendre en dessous 10 - 13 m) jusqu'au rayonnement hertzien (longueur d'onde pouvant dépasser 10 4 m).

(37)  

L'úil humain n'est donc sensible qu'à un tout petit domaine des ondes électromagnétiques. L'homme, cependant, utilise de nombreuses sources de radiation non visibles. Les rayons gamma permettent de traiter certaines tumeurs. Les rayons X sont utilisés en radiographie (squelette osseux, dentition, bagages). La radio, le radar et la télévision émettent des ondes hertziennes. Le soleil nous réchauffe avec les radiations infrarouges et nous fait bronzer avec le rayonnement ultraviolet. Les micro-ondes font fonctionner les téléphones cellulaires et les fours à micro-ondes.

Remarque 2 : Si on remplace la lampe à incandescence par une lampe à vapeur de mercure le prisme donne alors, non pas un spectre continu, mais un spectre de raies :

(38) 

 

4- 2 Spectre d'absorption d'une espèce en solution.

Une espèce en solution, éclairée par de la lumière blanche, est susceptible d'absorber, au moins en partie, l'énergie correspondant à certaines radiations. La lumière transmise ne sera plus blanche mais colorée. On peut l'analyser avec un prisme, le spectre obtenu est un spectre d'absorption.

·Plaçons dans le montage déjà utilisé une cuve en verre transparent contenant une solution aqueuse de béta-carotène.

(39) 

Avec le béta-carotène le spectre présente une bande d'absorption vers les courtes longueurs d'onde :

(40)

 

On observe que les radiations violettes, bleues et une partie des radiations vertes (bande d'absorption comprise entre 400 et 500 nm) sont presque totalement absorbées par la solution de béta-carotène. Cette solution a donc la couleur orange de la carotte. Cette couleur de la solution, observée par transmission, résulte de la superposition sur la rétine de l'úil humain des radiations non absorbées (longueurs d'onde comprises entre 500 et 800 nm).

Autres exemples :

·Une solution de permanganate de potassium est magenta. Son spectre présente une large bande noire d'absorption dans l'orange, le jaune et le vert. La superposition des couleurs rouge et bleue transmises donne la sensation de magenta.

·Une solution de dichromate de potassium est jaune-orangé. On constate dans le spectre des bandes noires d'absorption dans le violet, le bleu et une partie du vert. La superposition des couleurs transmises rouge, jaune et un peu de vert donne cette teinte orangée.

·Si toute les radiations du domaine visible sont totalement absorbées par une solution alors la solution est noire.

·Si toute les radiations du domaine visible sont transmises alors la solution est transparente. L'eau pure est un liquide transparent.

Remarque : En cliquant sur "spectres de raies d'absorption" et sur "couleur des solides" du "Lexique de chimie" on pourra retrouver des rappels sur ces questions.

· Absorbance A

L'absorbance A d'une solution mesure l'aptitude que possèdent les substances présentes dans cette solution d'absorber une radiation de fréquence f donnée (la longueur d'onde de cette radiation est l = c / f dans l'air où c = 3,0 x 10 8 m/s). L'absorbance est une grandeur sans unité mesurée par un spectrophotomètre.

L'absorbance dépend de la longueur d'onde l = c / f qui caractérise chaque couleur dans un milieu donné :

·Si l'énergie lumineuse associée à la radiation de longueur d'onde l1 n'est pas du tout absorbée par la solution étudiée alors l'absorbance correspondante A (l1) est égale à 0.

L'énergie est transmise à 10 0 = 1 = 100 / 100 = 100 %(41)

·Si l'énergie lumineuse associée à la radiation de longueur d'onde l2 est absorbée à 99 % par la solution étudiée alors l'absorbance correspondante A (l2) est égale à 2.

L'énergie est transmise à 10 - 2 = 1 / 100 = 1 % (42)

L'absorbance est une grandeur additive : Si une radiation de longueur d'onde l traverse une première solution possédant une absorbance A1 (l) puis une deuxième solution possédant une absorbance A2 (l), alors l'absorbance totale des deux solutions est :

A (l) = A1 (l) + A2 (l) (43)

On obtient une relation semblable si la même solution contient deux espèces chimiques absorbantes.

  ·Loi de Beer-Lambert (1852 et 1730) : L'absorbance d'une solution contenant une espèce colorée à la concentration C dépend de la longueur d'onde l de la radiation utilisée. Elle est proportionnelle à l'épaisseur L de la solution et à la concentration C de l'espèce colorée. On écrit :

A (l) = el . L . C (44)

· A (l) est l'absorbance de la solution. Elle s'exprime par un nombre sans unité.

·L est l'épaisseur de la solution en m (les chimistes emploient plutôt le cm).

·C est la concentration molaire effective de l'espèce absorbante en mol / L.

·el est le coefficient d'absorption molaire en L.mol - 1.m - 1 (ou en L.mol - 1.cm - 1). Son unité internationale serait donc m3. mol - 1.m - 1 soit m2 / mol.

Il dépend de la nature du soluté et du solvant, de la température et de la longueur d'onde.

Remarque : Si L et el sont constants alors la loi de Beer-Lambert se traduit par la relation :

A (l) = K . C (44 bis)K = Cte

·L'absorbance A est sans unité.

· La concentration C est en mol / L..

· Le coefficient de proportionnalité K est en L / mol.

·Connaissant le spectre d'absorption d'une espèce chimique, on peut mesurer, pour une longueur d'onde donnée, les variations de l'intensité I d'un faisceau lumineux traversant une même épaisseur L de solutions de concentrations diverses.

Ceci permet d'établir expérimentalement la courbe A = f (C) (45) reliant l'absorbance et la concentration de la substance étudiée (à L et l constantes), en effectuant les mesures de A pour diverses concentrations. Cette courbe est une courbe d'étalonnage.

(46)

La courbe expérimentale d'étalonnage permet ensuite de déterminer la concentration inconnue d'une solution de cette substance par simple mesure de son absorbance et report sur la courbe A = f (C) ci-dessus :


4-3 Dosage d'une solution colorée par étalonnage

Cette partie est traitée sous forme d'exercice.

Enoncé

Un spectrophotomètre a permis de tracer le spectre d'absorption d'une solution orangée de dichromate de potassium de concentration Co = 6,0 x 10 - 4 mol / L. (figure 47 ci-dessous)

(47)

a) On réalise ensuite un tableau d'étalonnage en mesurant l'absorbance A pour différentes concentrations en ions dichromates Cr2O7- -. On utilise avec le spectrophotomètre la longueur d'onde l = 450 nm.

C (mol / L)

2,0 x 10 - 4

4,0 x 10 - 4

8,0 x 10 - 4

1,2 x 10 - 3

1,6 x 10 - 3

A

0,22

0,46

0,89

1,33

1,82

Pourquoi utilise-t-on la longueur d'onde l = 450 nm ? (corrigé)

b) Tracer la courbe A = f (C). (c)

c) La loi de Beer-Lambert est-elle vérifiée ? (c)

d) On possède une solution de dichromate de potassium orangée de concentration C1 inconnue.

On la dilue 10 fois. On mesure l'absorbance de la solution diluée. On trouve A2 = 1,60. Calculer la concentration C2 de la solution diluée puis la concentration C1 de la solution initiale. (c)

Solution

a) (énoncé) On utilise la longueur d'onde l = 450 nm car c'est pour cette longueur d'onde que l'absorbance A est la plus grande (voir la figure 47)

b) (e) Traçons la courbe A = f (c).

(48)

c) (e) Voyons si la loi de Beer-Lambert est vérifiée.

La loi de Beer -Lambert A (l) = K . C (44 bis)est traduite par une fonction linéaire. Sa représentation graphique doit donc être une droite passant par l'origine.

La figure ci-dessus représente bien une droite passant par l'origine. La loi de Beer-Lambert est donc vérifiée.

d) (e) On possède une solution de dichromate de potassium orangée de concentration C1 inconnue. On la dilue 10 fois. On mesure l'absorbance de la solution diluée. On trouve A2 = 1,60.

Calculons la concentration C2 de la solution diluée puis la concentration C1 de la solution initiale.

La figure ci-dessus montre que pour une absorbance A2 = 1,60 on a une concentration C2 = 14 x 10 - 4 mole / L = 1,4 x 10 - 3 mol / L. (49)

La solution initiale a une concentration 10 fois plus grande :

C1 = 10 C2 = 1,4 x 10 - 2 mol / L. (50)

 

A VOIR :

Exercice 6-A : Connaissances du cours n° 6.

Exercice 6-B : Suivi spectrophotométrique d'une transformation chimique.

Retour Sommaire - Informations