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LA COULEUR, LA LUMIERE ET LA

CHIMIEMASTER 2 COULEUR, ARCHITECTURE, ESPACE

EKIN TUNC

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SOMMAIRE

Qu’est-ce que la lumière?

La lumière et la couleur

Les interférences

La couleur et la nature: Les animaux

La couleur et la nature: Les végétaux

Séparation des pigments des feuilles d’épinard

Le colorant indigo

La synthèse d’indigo

La conclusion générale

Annexes

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6 - 8

9 - 10

11 - 13

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« La lumière est un phénomène physique, un transport d'énergie sans transport de matière. Dans son acception générale de lumière visible, elle est constituée de l'ensemble des ondes électromagnétiques perçues par la vision humaine, c'est-à-dire dont les longueurs d'onde, dans le vide, sont comprises entre 380 nm (violet) et 780 nm (rouge). »

Le mystère de la lumière et la couleur était un sujet de débat pour les scientifiques pendant longtemps. Un des premiers scientifiques intéressé par cette problématique était Isaac Newton et a stipulé que la lumière était constituée de corpuscules matériels de diverses masses qui, atteignant le fond de l‘œil, engendraient des vibrations produisant diverses sensations de couleur. Même si aujourd’hui, on sait que la lumière est immatérielle et que les photons n’ont pas de masse, à l’époque, la théorie de Newton fait des remous.

Après les recherches de scientifiques comme Christiaan Huygens, Thomas Young ou Augustin Fresnel aux XVIIIème et XIXème siècles, James Clerk Maxwell trouve la réponse au mystère de la lumière. Il montre qu’un champ électrique et un champ magnétique peuvent osciller et se propager sous la forme d’ondes appelées ondes électromagnétiques. D’après sa théorie, ces ondes se propagent à la vitesse de la lumière. Plus tard, Heinrich Hertz confirme la théorie de Maxwell et démontre que la lumière fait partie de ces « ondes » et n’a pas de masse.

Grâce à ces deux scientifiques, nous savons aujourd’hui que les ondes électromagnétiques ou les ondes lumineuses sont caractérisées par une longueur d’onde et une fréquence.

Qu'est ce que la lumière?

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La lumière est constituée d’ondes électromagnétiques mais les ondes ne sont pas colorées. La couleur n’existe pas en tant que telle dans la nature, mais c’est notre cerveau qui nous fait percevoir des images colorées.La rétine d’un œil humain est couverte de millions de photorécepteurs de deux types distincts : Les bâtonnets (responsables de la vision en niveaux de gris) et les cônes (responsable

de la vision des couleurs).

Lorsqu’un rayon lumineux atteint ces photorécepteurs situés au fond de notre œil, il produit des réactions chimiques qui sont ensuite transmises au cerveau qui interprète le terme de couleur. La gamme de longueurs d’onde visibles par notre œil s’étend de 400 nanomètres æ 700. (voir le schéma)

Spectre visiblefr.khanacademy.org

LA LUMIERE ET LA COULEUR

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Les couleurs d’une bulle de savon éclairée sont constituées d’un film d’eau emprisonné entre deux couches de molécules de savon. Les ondes lumineuses résultant de la réflexion de la lumière sur la face externe et interne du film interfèrent les unes avec les autres et créent les couleurs interférentielles.

En arrivant à la surface de l’eau, le rayon lumineux se divise en deux parties : l’une est réfléchie et l’autre pénètre à l’intérieur du film. Ce deuxième rayon subit une réflexion sur la face arrière du film et ne sort qu’après avoir traversé l’eau en sens inverse. Il rejoint avec un léger

retard le premier qui a été réfléchi. Les deux ondes lumineuse (provenant de la même onde et ayant des intensités similaires) infèrent et se superposent comme des vagues. Soit elles se renforcent, soit elles s’annihilent.

Les couleurs d’une bulle de savonhttp://bullestpe2016.blogspot.fr

Interférences - Superposition des ondes commons.wikimedia.org

LES INTERFERENCES

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LA COULEUR ET LA NATURE:LES ANIMAUX

La scarabées:La cuticule des scarabées est constituée de molecules de chitine assemblée en fibres microscopiques. Ces fibres sont disposés en feuillets superposés, dont l’angle d’inclinaison diffère entre celles du feuillet de

la couche supérieure et celles du feuillet de la couche inférieure. Il en résulte des phénomènes optiques, ainsi que la base de la couleur interférentielle, ceci grâce à cette structure en plusieurs couches.

Les papillons :Les ailes de certains papillons possèdent une structure en feuillets. On les distingue en les éclairant sous plusieurs angles et en observant le changement de couleurs sur leurs ailes. Quand on regarde ces ailes au microscope électronique, on observe que les ailes des papillons

sont couvertes d’écailles (commes des poissons) chacune composée d’un empilement de plusieurs couches alternées d’air et de chitine. Cette structure ne se trouve que sur les écailles qui affleurent à la surface des ailes. Les écailles situées en dessous ont une structure simple, colorée par des pigments.

Les scarabées Musée zoologique – Master Couleur, Architecture, Espace

Le papillon Morpho Bleu Musée zoologique – Master Couleur, Architecture, Espace

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Interférence - les plumes d’un oiseauMusée zoologique – Master Couleur, Architecture, Espace

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Interférence - les plumes des oiseaux Musée zoologique – Master Couleur, Architecture, Espace

Pigments - les plumes des oiseauxMusée zoologique – Master Couleur, Architecture, Espace

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Transition de couleur des feuilleshttp://tophdimgs.com

LA COULEUR ET LA NATURE :LES VEGETAUX

La transition entre l’été et l’automne et le changement de couleur des végétaux:

En été, la plupart des végétaux font la photosynthèse (« un processus bioénergétique qui permet à des organismes de synthétiser de la matière organique en utilisant l’énergie lumineuse »). Le pigment chlorophylle (« Feuille verte » en grec), principal pour ce processus, masque les autres pigments contenus dans les feuilles.

La couleur de la chlorophylle résulte du fait qu’elle absorbe les radiations rouges et bleues de la lumière du soleil, réfléchissant ainsi les vertes.

En automne, avec le raccourcissement de la durée de l’ensoleillement journalière, le métabolisme des végétaux commence à ralentir et interrompt la photosynthèse. Les enzymes s’activent pour démolir les molécules de chlorophylle.

“La disparition de la chlorophylle à l’automne dévoile alors une palette de couleurs chaudes, dues aux autres pigments déjà présents dans les feuilles : les carotènes (oranges) et les xantophylles (jaunes), des molécules plus petites qui participent également à la photosynthèse. Leur mélange forme ainsi une infinité de nuances orangées.”

Science et vie

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Jardin botanique - Strasbourg Musée zoologique – Master Couleur, Architecture, Espace

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Mortier et pilon

Entonnoir

Papier filtre/coton

Tubes à essais sur portoir

SEPARATION DES PIGMENTS PHOTOSYNTHETIQUES DE FEUILLES

D'EPINARD

TD AU LABORATOIRE - 21 NOVEMBRE 2017FACULTE DE CHIMIE - UNIVERSITE DE STRASBOURG

PRODUITS

AcétoneCyclohexane

Carbonate de sodiumSulfate de sodiumFeuilles d’épinard

SableAzote liquide

Plaques de silice

MATERIEL

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SEPARATION DES PIGMENTS PHOTOSYNTHETIQUES DE FEUILLES

D'EPINARD

Broyer les feuilles d’épinard avec une pointe de spatule de sable, de sulfate de sodium et de carbonate de sodium en présence

d’azote liquide.

Ajouter 10mL d’acétone et continuer le broyageFiltrer la pâte obtenue et recueillir le filtrat de couleur verte. Il

contient les pigments photosynthétiques solubles dans l’acétone.

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Séparation par chromatographie sur plaque de silice:Déposer une goutte de l’extrait brut sur une plaque de silice. Après

élution avec un mélange de solvant, vous pourrez distinguer les différents constituants du mélange. Ce sont les différents pigments

présents dans les épinards séparés en fonction de leur polarité.

CONCLUSION

Après avoir séparé les pigments des feuilles d’épinard, nous avons vu qu’il existe plusieurs types de pigment dans la feuille d’épinard. Ces pigments sont nécessaires à la photosynthèse et la survie des

végétaux sur Terre. Nous connaissions le pigment le plus connu qui est la chlorophylle

donannt la couleur verte aux feuilles. Grâce à cette expérience, nous avons pu observer les différents types de pigments, comme la

carotène (jaune-orange) et xanthophylles (jaune).

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Le colorant naturel d’indigo est un bleu foncé, importé d’Inde jusqu’à ce qu’il soit synthétisé par Baeyer et Heumann en 1890.

L’utilisation principale de ce colorant est la teinture des pantalons « blue-jeans ». Ce nom a pour origine la toile teintée en bleu, fabriquée à Gênes depuis 19ème siècle que l’on appelait bleu de Gênes. C’est la prononciation à l’anglais de Gênes qui a ensuite conduit au terme blue-jeans avec Oscar Levi Strauss qui a eu l’idée d’employer la toile des tentes

pour confectionner un vêtement de travail robuste.

Le colorant indigo n’est pas la seule couleur synthétisée de cette époque. Les chimistes allemand von Hofmann et anglais Perkin furent les pionniers des colorants synthétiques. En 1856, lors d’une expérience au laboratoire, Perkin obtient par coincidence, un colorant synthétique extraordinaire, la mauvéine, qui sera un grand succès commercial en Europe.

LE COLORANT INDIGO

Couleur indigopinimg.com - millieservant.fr

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PRODUITS2-nitrobenzaldéhyde

acétonehydroxyde de sodium

éthanoldithionite de sodium

MATERIEL

SYNTHESE DU PIGMENT D'INDIGOET SON UTILISATION EN TEINTURE

DU COTON

Erlenmeyer

Agitateur magnétique

Eprouvette

Pipettes Pasteur

Fiole à succion

Filtre de Büchner

Papier filtre

Bain de sable

TD AU LABORATOIRE - 14 NOVEMBRE 2017FACULTE DE CHIMIE - UNIVERSITE DE STRASBOURG

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Dans un erlenmeyer de 250Ml, dissoudre 1g de 2-nitrobenzaldéhyde dans 20 mL d’acétone et diluer avec 35

mL d’eau distilléeMettre en route l’agitateur magnétique de façon à produire

une agitation très vigoureuseAjouter alors lentement 5 mL de NaOH 2M. La solution

devient jaune foncé, s’assombrit, puis un précipité sombre d’indigo apparaît rapidement.

Après 5 minutes d’agitation, procéder à la filtration sur Büchner en tirant sous vide

SYNTHESE De l'INDIGO

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Laver le précipité à l’eau jusqu’à ce que l’eau de récupération soit incolore, puis laver avec 20 mL d’étanol.

Sécher le solide entre 2 feuilles de papier filtre

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Dans un erlenmeyer de 100 mL, on dissout 3 pastilles de soude et 0.5g de dithionite de sodium dans 50 mL d’eau

distillée chaude. On ajoute à cette solution 0.1g de pigments d’indigo, on

bouche l’erlenmeyer que l’on laisse 30 minutes dans un bain de sable à 50 °C.

On ajoute une spatule de dithionite de sodium ; la solution devient jaune-vert

On introduit la bande de coton dans la solution jaune-vert. On agite un peu en gardant l’erlenmeyer bouché. On laisse 3

minutes la couleur imprégner le coton.

TEINTURE DU COTON PAR L'INDIGO

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On retire la bande de coton, la rince, et la laisse sécher

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CONCLUSION

Lors des expériences faites au laboratoire, nous avons vu l’utilisation de la synthèse d’indigo. L’avantage principal de cette

synthèse est de pouvoir abaisser les coûts de production des pigments, comparé aux coûts d’exploitation des pigments naturels.

Ainsi, elle permet de produire des pigments en grande quantité afin de satisfaire la demande et les besoins du marché.

Teinture du tissu :Lors de l’expérience nous avons vu que l’indigo est un pigment,

insoluble dans l’eau. Il ne peut imprégner la fibre à teindre que sous sa forme réduite qui se produit sous l’action des ions dithionite de sodium. Après avoir sorti la fibre imprégnée de la solution, celle-ci présente une couleur verdâtre. Par oxydation

par le dioxygène de l’air, l’indigo donne peu à peu son bleu caractéristique.

Ceci nous prouve que l’indigo, pigment par nature, devient colorant lors de l’expérimentation décrite précédemment. On

passe donc d’une nature à une autre, aux propriétés différentes :

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

un colorant, modifie la couleur du milieu qui le reçoit mais à la différence du colorant, le pigment se présente sous forme de

poudre et est insoluble. Sa mise en oeuvre n’est donc pas la même.

Observation de la couleur indigo avec un spectromètreFaculté de la chimie – Master Couleur, Architecture, Espace

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La nature est une source d’inspiration dans l’art. Les couleurs des minéraux, des végétaux et des animaux ont une diversité incroyable et un rôle important tant dans le monde animal que végétal : se camoufler, tromper, séduire ou effrayer.

Les couleurs que l’humanité a connu en premier lieu furent celle que la nature a créées, mais elles ne se limitent désormais plus à celle-ci. La science et les recherches développent l’étendue de cette diversité naturelle et permettent d’avoir aujourd’hui des solutions synthétiques. Les colorants indigo et mauvéine font partie des produits synthétiques qui sont encore utilisés en tant que colorants pour vêtements.

Les séances de chimie auxquelles nous avons participé, ne nous ont pas uniquement montré cette diversité

mais aussi le fonctionnement de la perception des couleurs ainsi que leurs utilisations.

Nous avons vu que la couleur n’est qu’une sensation que notre cerveau nous procure lorsque la lumière atteint la rétine de nos yeux et qu’elles n’existent pas sans la présence de la lumière. Tous les exercices effectués en cours, nous ont permis d’avoir une vision scientifique et rationnelle qui nous aidera ensuite dans nos vies professionnelles. Les séances de chimie nous ont donc donné la capacité de mieux utiliser la couleur, en nous faisant comprendre et connaitre le fonctionnement de celle-ci.

“Les couleurs sont les filles de la lumière”

Johannes Itten

CONCLUSION GENERALE

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ANNEXES

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Couleur de la fleur de mauve dans des milieux acide et basique

NaOH(PUR)

NaOH1/100

NaOH1/10000

HCL1/10000

HCL1/100

HCL(PUR)

OBSERVATION de LA transition de la

couleur:

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AUTRES EXPERIENCES

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