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Tout savoir sur les pigments et les colorants

Par Yann le 04/12/2017 Ressources > Physique-Chimie > Première S > Les différentes familles chimiques > Les Colorants et les Pigments

Pigment et colorant : définitions

On appelle un pigment un substance finement divisée et insoluble dans le milieu qui les contient. Ainsi, les pigments sont en suspension dans un liquide ou en dispersion dans un solide.

Les colorants sont des substances solubles dans le milieu qu’ils colorent.

Un peu d’histoire

Utilisation des pigments durant la Préhistoire

De quoi étaient composées les peintures des hommes préhistoriques ? Les premiers Hommes utilisaient des couleurs issues des matériaux minéraux

Dès la Préhistoire, les Hommes ont commencé à utiliser les couleurs pour représenter le monde dans lequel ils vivaient.

Ainsi, parmi les premiers exemples d’utilisation des couleurs, la grotte de Lascaux peut être citée. Les peintures murales découvertes dans cette cavité sont en effet datées du Paléolithique, soit 15000 ans avant Jésus Christ.

A l’origine, les couleurs étaient d’origine minérale. Les premiers Hommes utilisaient la craie, le charbon, l’ocre ou bien encore le soufre.

Ces matières colorées n’étant pas solubles dans l’eau, on parle de pigments.

Utilisation de substances végétales et animales durant l’Antiquité et le Moyen- Âge

Durant l’Antiquité on n’utilise plus seulement les pigments souvent d’origine minérale. En effet, les Egyptiens commence à utiliser des colorants (composés solubles dans l’eau) d’origine végétale ou animale pour teindre des tissus. Toutefois, l’usage de ces colorants restaient réservé aux plus riches du fait de l’extraction difficile, longue et coûteuse.

Parmi les colorants d’origine naturelle les plus connus et les plus utilisés pendant l’Antiquité, citons :

  • La garance :
    Plante aussi appelée “garance des teinturiers”, de ses racines est extrait un rouge vif très caractéristique.
  • Le pastel des teinturiers :
    Aussi appelée Guède, cette plante fut longtemps la seule source de Bleu. La teinture bleue est extraite de ses feuilles.
  • La carthame :
    Cette plante a été très largement utilisée par les Égyptiens pour leurs teintures. On a d’ailleurs retrouvé dans le tombeau de Toutânkhamon des guirlandes fabriquées avec de la carthame.
  • Le kermès :
    C’est une espèce de cochenille (un petit insecte) qui une fois séché et broyé donne une couleur rouge écarlate.

Synthèse des colorants au XIXe siècle

Au cours du dix-neuvième siècle, la synthèse chimique des colorants commence avec la découverte de la mauvéine par Perkin en 1856.

Les chimistes réussissent à synthétiser des colorants jusque là extraits de végétaux ou d’animaux.

Les colorants deviennent beaucoup plus abordables car la synthèse chimique coûte beaucoup moins d’argent que leur extraction.

En 1897, l’entreprise allemande B.A.S.F. industrialise la production par synthèse de l’indigo découverte par Baeyer en 1880.

En 1882, le jaune quinoléine, dont le principal composant C18H9NNa2O8S2 fut le premier colorant alimentaire à être synthétisé. Il est aujourd’hui appelé E104.

C’est le plein essor de la chimie organique, c’est-à-dire les substances contenant en majorité les éléments carbone C et hydrogène H au sein d’une chaîne carbonée.

Les colorants

Un colorant est une substance qui modifie la couleur du milieu dans lequel il est introduit et qui y est soluble.

Les colorants peuvent être d’origine naturelle (animale, végétale ou minérale) dans ce cas il est nécessaire de faire appel aux méthodes de séparations (extraction par solvant, distillation, chromatographie etc.) pour les extraire. Il est aussi souvent possible de les produire par synthèse chimique.

Les colorants sont présents dans l’alimentation et en particulier dans les boissons et les bonbons. Ils sont aussi utilisés pour teindre les vêtements et sont le constituant principal des encres.

Les pigments

Tout comme un colorant, un pigment modifie la couleur du milieu qui le reçoit mais à la différence de ce dernier il se présente sous forme de poudre insoluble.

Il est donc nécessaire de choisir un milieu qui puisse maintenir les pigments sans qu’il y ait décantation: un tel milieu est appelé un ”liant” et peut par exemple être constitué d’huile.

Les pigments peuvent être d’origine organique (végétale ou animale) mais sont le plus souvent de nature minérale.

On peut retrouver des pigments dans des produits cosmétiques même s’ils sont surtout présents dans les peintures.

Quelle différence fait-on entre pigment et colorant ? Les pigments, d’origine minérale ne sont pas miscibles dans l’eau

Les mélanges soustractifs

Rappel sur la synthèse soustractive

Les pigments et les colorants absorbent une partie de la lumière qu’ils reçoivent et ils transmettent (dans le cas des solutions de colorants) ou diffusent (pour les pigments) l’autre partie de cette lumière.

Si un mélange de substances colorées absorbe plusieurs couleurs, la couleur visible est la somme de toutes les couleurs non absorbées : on parle de synthèse soustractive.

Un mélange de colorants ou de pigment permet donc de réaliser une synthèse soustractive de la lumière avec comme couleurs primaires le cyan, le magenta et le jaune.

Un mélange soustractif résulte donc de la combinaison des couleurs primaires de la synthèse soustractive.

La couleur d’un mélange résulte d’une synthèse soustractive des couleurs des matières colorées ayant servi à sa création.

Le cercle chromatique

Si l’espèce n’absorbe qu’une seule couleur, la couleur apparente est la couleur complémentaire de la couleur absorbée.

Pour retrouver la couleur visible, il suffit de regarder le cercle chromatique et de repérer la couleur diamétralement opposée à la couleur absorbée.

Pour résumer : on parle de synthèse soustractive car la couleur apparente est la résultant de toutes les couleurs non absorbées par le composé.

Quelle relation y a-t-il entre couleur absorbée et couleur visible ? Si un matériau absorbe une couleur, la couleur opposée dans la roue chromatique devient visible

Analyse de la provenance de la couleur

Les liaisons doubles conjuguées

Pour bien comprendre le concept de liaisons doubles conjuguées, il est nécessaire de prendre le temps d’expliquer les formules topologiques.

En effet, plus la molécule est complexe et plus sa représentation en formule développée, semi-développée ou même formule brute est longue et fastidieuse.

On représente donc la molécule comme suit :

  • La chaîne carbonée est disposée en une ligne brisée qui peut comporter des ramifications.
  • Les atomes de carbone et les atomes d’hydrogène qui leur sont liés ne sont pas représentés.
  • Les liaisons multiples sont mentionnées.
  • Les atomes autres que C et H figurent par leur symbole, ainsi que les atomes d’hydrogène qu’ils portent éventuellement.

L’un des avantages des formules topologiques est qu’elles permettent de bien visualiser les doubles liaisons conjuguées.

On appelle “doubles liaisons conjuguées” une alternance de doubles liaisons et de simples liaisons.

La particularité de ces systèmes de liaisons doubles conjuguées réside dans l’absorption accrue des radiations, et notamment des radiations lumineuses. C’est cette propriété qui rend ce type de molécule coloré.

Les groupes chromophores

Ce sont les groupes qui absorbent les radiations.

En d’autres termes, il s’agit d’un agencement d’atomes capable d’absorber la lumière dans le visible ou l’ultra-violet.

Ainsi, une molécule organique possédant au moins sept doubles liaisons conjuguées forme le plus souvent un matériau coloré : c’est le plus simple des groupes chromophores.

Plus le nombre de doubles liaisons conjuguées est grand et plus la longueur d’onde du maximum d’absorption est importante.

Certains groupes caractéristiques donnent également de la couleur à une molécule. C’est le cas pour les groupes comprenant une double liaison entre atomes d’azote et atomes d’oxygène.

  • Exemples :

    \[- C = N -\]

    \[- N = N -\]

    \[- C = C - C = O -\]

Les groupes auxochromes

Ces groupes caractéristiques, attachés à un groupe chromophore, décalent la perception de la couleur : ils déplacent le maximum d’absorption, ce qui engendre une modification ou une apparition de couleur.

Exemple de groupes caractéristiques auxochromes :

  • Groupe hydroxyde OH
  • Groupe amine NH2
  • Groupe halogène : le Chlore (Cl), ou le Brome (Br) notamment.

Paramètres physico-chimiques influençant la couleur

Le pH

Prenons l’exemple des anthocyanines. Ce sont des pigments sensibles à la valeur du pH du milieu où ils se trouvent. Une plus ou moins forte acidité modifie la structure de la molécule et donc sa couleur. En effet, la répartition des électrons est modifiée.

Il est cependant trop rapide de conclure que la présence d’anthocyanines dans une plante suffise à ce que si le pH varie la couleur de la plante varie.

En fait, une plante peut contenir plusieurs types d’anthocyanines en quantités diverses. Ainsi la variation du pH n’aura pas le même effet sur tous les végétaux.

La modification d’une molécule par la variation de l’acidité du milieu est réversible à condition que la variation soit raisonnable. Il est donc possible revenir à la couleur initiale en ajoutant un produit d’acidité contraire.

En revanche, si le pH est trop important (aussi bien trop acide que trop basique) alors l’intégralité de la structure de la molécule est modifié et la réaction devient irréversible.

La température

On qualifie de thermochromes les substances dont la couleur dépend de la température. C’est le cas des cristaux liquides ou bien des encres utilisées dans le cadre de la lutte contre la falsification des billets de banques : la lampe d’une photocopieuse chauffe l’encre qui réagirait en change de couleur.

Autres facteurs de variation

Parmi les autres facteurs permettant de varier la couleur d’un matériau ou d’un composé chimique, on peut citer :

  • la nature du solvant,
  • le rayonnement,
  • l’humidité

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