7. La chimie des couleurs

Introduction

La lumière visible est une infime partie des ondes électromagnétiques qui nous entourent, allant des rayons gamma en passant par les rayons UV, jusqu’aux ondes radio et aux grandes ondes, comme on peut le voir à la figure suivante :

Nos yeux perçoivent la lumière comme étant blanche lorsque toutes les couleurs de l’arc-en-ciel y sont présentes de la même manière que dans la lumière reçue du soleil. Lorsqu’une des couleurs est prédominante ou déficiente, notre cerveau l’interprète comme étant une couleur.

Nous voyons les objets parce que la lumière du soleil est réfléchie sur eux et parvient alors à nos yeux. Mais alors pourquoi, si la lumière est blanche, nous voyons souvent des objets en couleur?

Lien entre couleur et chimie

C’est là que la chimie intervient. La matière est composée d’atomes et de molécules autour desquels des électrons sont en orbite, un peu comme des satellites en orbite autour des planètes. On sait que si on donne une poussée à un satellite autour de la Terre, l’augmentation de la vitesse le fera monter à une orbite plus éloignée. Eh bien c’est ce qui peut arriver quand des photons (particules de lumière) frappent un électron : ce dernier monte à une orbite supérieure. On dit alors qu’il est excité. Cette absorption d’énergie lumineuse se fait à des longueurs d’onde spécifiques, donc des couleurs particulières si c’est dans la région du visible, sont absorbées. La lumière réfléchie contiendra donc moins de cette longueur d’onde, ce que nous percevrons comme étant une couleur.

L’image suivante illustre le cas de la lumière solaire frappant une orange :

On voit que la pelure de l’orange absorbe plusieurs longueurs d’onde de la lumière solaire sauf la couleur orange, qui sera réfléchie. C’est ainsi que nous percevons ce fruit comme étant de couleur orangée.

Molécules organiques

Les molécules formées de chaînes d’atomes de carbone sont dites organiques, car ce sont elles qu’on retrouve dans tous les êtres vivants. Les liaisons entres les atomes dans une molécule organique existent grâce à un partage d’électrons entre les atomes. Par exemple deux atomes de carbone seront liés parce qu’un électron gravite autour des deux atomes, ce qu’on appelle une orbite moléculaire. Certaines molécules organiques ont des liaisons simples et double en alternance entre les atomes de carbone, comme on peut le voir dans le cas du bêta-carotène à la figure suivante :

On dit que ces liaisons sont conjuguées. Dans ce type de liaisons, les orbitales moléculaires ont justement la capacité d’absorber des photons qui sont dans la gamme d’énergie de la lumière visible. Ces molécules absorberont donc certaines couleurs particulières selon leur structure; c’est pourquoi ces composés organiques auront tendance à nous paraître colorés.

Composés minéraux

On voit aussi beaucoup de composés minéraux qui sont colorés. Il s’agit principalement de minéraux contenants des métaux de transition. Sans aller trop dans le détail, disons que ce sont les métaux qu’on retrouve au centre du tableau périodique, comme le fer, le nickel, le chrome, le cuivre, le manganèse, etc. Leurs électrons de la dernière couche peuvent aussi absorber des photons qui sont dans la gamme d’énergie de la lumière visible, tout comme les molécules organiques ayant des liaisons conjuguées. Donc certains composés de ces métaux absorberont certaines longueurs d’onde de la lumière visible, ce que nous percevrons comme étant de la couleur. Le tableau suivant montre quelques exemples de couleurs reliées à des composés à base de métaux :

Couleurs fluorescentes

La fluorescence est un phénomène différent de la réflexion de la lumière que nous avons vue dans le reste du présent article. Elle prend sa source dans la lumière ultraviolette que nous ne voyons pas et qu’on nomme parfois « lumière noire ».

Dans certains cas, lorsque des atomes ou molécules sont éclairés par des rayons UV, les électrons qui ont changé d’orbite reviennent rapidement à une orbite plus stable sans toutefois revenir à leur orbite initiale. Ils restituent alors de l’énergie en émettant de la lumière dans le domaine du visible, d’une longueur d’onde particulière. Dans ce cas, ce n’est pas seulement la lumière réfléchie qu’on voit, mais aussi celle émise par les atomes ou molécules en question. C’est pourquoi on dira que les objets fluorescents sont lumineux.

Pour produire ces couleurs fluorescentes, on utilise des pigments fluorescents. Les Japonais utilisaient il y a plus de mille ans des laques de pigments naturels extraits de coquilles d’huîtres. Le sulfure de baryum (BaS) a été le premier colorant fluorescent fabriqué en Europe, aussi appelé « pierre de Bologne ». Les pigments fluorescents qui sont utilisés de nos jours sont dissous dans un polymère transparent et incolore. Ils peuvent être ajoutés à de la peinture ou bien à des fils de résine synthétique pour en faire des tissus fluorescents à haute visibilité. On les utilise aussi abondamment dans les panneaux de signalisation.

Conclusion

Les humains sont très friands de couleur, particulièrement les enfants. Nous avons donc trouvé toutes sortes de moyens de produire des pigments afin de colorer les aliments, les textiles, les peintures, les encres et les matériaux, comme les plastiques. Ces pigments sont des molécules qui peuvent être tirées de la nature comme la chlorophylle, le bêta-carotène ou le rouge de betterave. Elles peuvent aussi être synthétisées en laboratoire ou en usine comme les colorants capillaires. Peu importe l’origine des substances qui donnent de la couleur, cette dernière est d’une grande importance dans notre vie. Et dans tous les cas, elle dépend d’un arrangement d’atomes et de leurs électrons …

Bertrand Dubreuil, 20 mars 2021

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