Première ES 2015-2016
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Première ES 2015-2016

Couleurs et arts

La lumière blanche est en fait un mélange d'une infinité de lumières colorées, que l'on peut modéliser par un modèle simple à trois couleurs : le bleu, le vert, et le rouge. Le mélange de ces lumières colorées en différentes proportions permet d'obtenir de nombreuses couleurs (sur un écran LCD par exemple) : c'est la synthèse additive.

La couleur des objets s'interprète quant à elle par la synthèse soustractive : des parties de la lumière blanche sont enlevées par absorption. Les couleurs primaires de la synthèse soustractive sont le cyan, le magenta et le jaune. Leur mélange en différentes proportions permet d'obtenir de nombreuses couleurs (en peinture par exemple).

Les substances colorées utilisées dans la vie courante peuvent être classées en deux grandes catégories : les pigments qui sont insolubles et les colorants qui le sont. Ces substances peuvent être séparées et identifiées par chromatographie, et leur couleur peut varier suivant l'influence de certains paramètres, notamment le pH.

I

Les lumières colorées

A

Le modèle à trois couleurs de la lumière blanche

1

Les spectres lumineux

Spectre lumineux

On appelle spectre lumineux le résultat de la décomposition d'une lumière en différentes radiations monochromatiques qui la composent.

-
Un spectre de raies (ou spectre discret)
-
Un spectre continu

La grande majorité des sources lumineuses et l'intégralité des sources de lumière blanche émettent en fait une lumière constituée de plusieurs radiations. Ces sources sont dites polychromatiques.

On distingue :

  • Les spectres de raies : ils sont constitués d'un petit nombre de radiations monochromatiques bien séparées.
  • Les spectres continus : ils sont constitués d'une infinité de radiations monochromatiques infiniment proches les unes des autres.

La lumière blanche fournie par une source dont la température est élevée est polychromatique et son spectre est continu.

Le Soleil, les étoiles et une lampe à incandescence sont des sources à température élevée. La lumière blanche qu'elles émettent forme un spectre continu.

La lumière émise par un tube fluorescent (appelé improprement "néon") ou par une lampe fluo-compacte donne quant à elle un spectre de raies.

2

Une modélisation des spectres continus

Les spectres continus sont constitués d'une infinité de radiations différentes, il est donc nécessaire d'utiliser une modélisation pratique et efficace afin de pouvoir expliquer la couleur des lumières colorées, puis la couleur des objets.

-

Le spectre continu d'une source de lumière blanche est modélisé par un spectre à trois couleurs :

  • Le bleu
  • Le vert
  • Le rouge

Certaines sources de lumière blanche très courantes émettent en fait un spectre de raies. En toute rigueur, elles ne peuvent pas être modélisées par le modèle à trois couleurs ci-dessus qui s'applique uniquement aux spectres continus.

Toutefois, les lampes usuelles à spectre de raies (tube fluorescent et lampe fluo-compacte) comportent un grand nombre de raies bien réparties dans l'ensemble du spectre, ce qui permet finalement de généraliser l'utilisation du modèle à trois couleurs.

B

Synthèse additive

1

Les couleurs primaires et les couleurs secondaires en synthèse additive

Couleurs primaires de la synthèse additive

On appelle couleurs primaires de la synthèse additive les trois couleurs suivantes :

  • Le bleu
  • Le vert
  • Le rouge

Lorsque l'on additionne des lumières colorées on obtient les résultats compilés dans le tableau suivant :

Couleurs des lumières émisesCouleur perçue de la lumière obtenue
Aucune lumière émiseNoir (Absence de lumière)
BleuBleu
VertVert
RougeRouge
Bleu + VertCyan
Bleu + RougeMagenta
Vert + RougeJaune
Bleu + Vert + RougeBlanc

Deux projecteurs, l'un émettant une lumière bleue, l'autre émettant une lumière rouge éclairent un mur blanc. La partie éclairée par les deux projecteurs simultanément apparaîtra de couleur magenta.

-
Un dispositif permettant l'étude expérimentale de la synthèse additive
-
Schéma récapitulatif de la synthèse additive des couleurs
Couleurs secondaires en synthèse additive

On appelle couleur secondaire de la synthèse additive une couleur de lumière obtenue par le mélange de deux lumières de couleurs primaires de la synthèse additive.

Les couleurs secondaires de la synthèse additive sont donc d'après le tableau de la propriété précédente :

  • Le cyan
  • Le jaune
  • Le magenta

Le mélange d'une lumière de couleur bleue et d'une lumière de couleur verte donne une lumière de couleur cyan. C'est-à-dire que le mélange en synthèse additive de bleu et de vert donne du cyan. Le cyan est une couleur secondaire en synthèse additive.

2

Généralisation

Synthèse additive

On appelle synthèse additive des couleurs toute opération consistant à mélanger des lumières des couleurs primaires de la synthèse additive (c'est-à-dire bleue, verte et rouge) afin d'obtenir une lumière colorée.

Un vidéoprojecteur est constitué notamment de trois sources de lumières colorées en bleu, vert et rouge, et il permet par synthèse additive de projeter un grand nombre de couleurs sur un écran.

En synthèse additive, on additionne toujours des lumières. La synthèse additive sera donc à utiliser pour les objets-sources.

Un écran de téléphone portable produit la lumière qu'il émet : c'est donc un objet source. Pour expliquer la couleur d'une zone de l'écran, on utilisera donc la synthèse additive car il s'agit bien d'addition de lumière.

Une peinture sur toile ne produit pas la lumière qu'elle émet : c'est un objet diffusif qui a besoin d'être éclairé par une source pour être visible. Pour expliquer la couleur d'une zone de la peinture, on utilisera la synthèse soustractive.

En mélangeant les lumières des couleurs primaires en proportions diverses on peut obtenir une infinité de couleurs par synthèse additive.

En mélangeant de la lumière verte et de la lumière rouge en proportions égales, on obtient de la lumière jaune.

Si on souhaite obtenir une lumière orange, il suffit d'augmenter la proportion de rouge par rapport à celle du vert.

3

Application aux écrans LCD

-
Zoom sur quelques pixels d'un écran LCD

Chaque pixel d'un écran LCD est en fait constitué de trois petites sources lumineuses (bleue, verte et rouge) d'intensité réglable séparément. L'œil ne voit pas les trois sources séparément mais fait directement l'addition des lumières issues des trois petites sources. Chaque pixel apparaît alors de la couleur obtenue par synthèse additive.

Le nombre de couleurs possibles est en théorie infini. En réalité, il dépend du nombre de possibilités de réglages de l'intensité de chacune des trois petites sources.

Si l'intensité de chacune des sources de couleurs primaires est codée sur 1 octet, c'est-à-dire 8 bits, il y a 256 niveaux d'intensité différents pour chaque source de couleurs primaires.

On pourra obtenir alors 256×256×25616 millions de couleurs, et le codage se fera sur 3 octets, c'est-à-dire 24 bits en tout.

II

La couleur des objets

A

Mécanisme de la vision et couleur

1

La diffusion, la transmission et l'absorption

Diffusion

Il y a diffusion de la lumière par un objet lorsque tout ou partie de la lumière qui atteint un objet est renvoyée dans toutes les directions. Tous les objets visibles diffusent de la lumière.

Transmission

Il y a transmission de la lumière à travers un objet lorsque tout ou partie de la lumière atteignant un objet le traversent. Seuls les objets translucides transmettent de la lumière.

Absorption

Il y a absorption quand une partie de la lumière n'est ni diffusée, ni transmise.

Une bouteille d'eau minérale en plastique transparent :

  • Diffuse une partie de la lumière dans toutes les directions, car on peut la voir depuis tout endroit.
  • Transmet une partie de la lumière, car on peut voir à travers la bouteille.

Une brique de lait en carton :

  • Diffuse une partie de la lumière dans toutes les directions, car on peut la voir depuis tout endroit.
  • Ne transmet pas de lumière, car on ne peut pas voir à travers la brique.
-
Diffusion et transmission
2

Les filtres de couleurs et les substances colorées

-
Diffusion et transmission de la lumière blanche par deux objets rouges
-
Diffusion et transmission de la lumière blanche par deux objets jaunes

La couleur d'un objet s'obtient par synthèse additive des couleurs des lumières diffusées et éventuellement transmises.

Un filtre rouge éclairé par une source de lumière blanche transmet uniquement la lumière rouge. Il absorbe donc la lumière bleue et la lumière verte.

Une tomate rouge éclairée par une source de lumière blanche diffuse uniquement la lumière rouge. Elle absorbe donc la lumière bleue et la lumière verte.

Un filtre jaune et une pomme jaune éclairés par une source de lumière blanche diffusent et éventuellement transmettent la lumière rouge et la lumière verte. Ils absorbent donc uniquement la lumière bleue.

B

La synthèse soustractive

1

Les couleurs primaires et les couleurs secondaires en synthèse soustractive

Couleurs primaires de la synthèse soustractive

On appelle couleurs primaires de la synthèse soustractive les trois couleurs suivantes :

  • Le cyan
  • Le jaune
  • Le magenta

Lorsque l'on mélange des substances colorées ou que l'on superpose des filtres de couleurs, on obtient les résultats suivants :

Couleurs des substances mélangées (ou des filtres superposés)Couleurs absorbéesCouleur perçue lorsque l'on éclaire en lumière blanche
Aucune AucuneBlanc
CyanRougeCyan
MagentaVertMagenta
JauneBleuJaune
Cyan + MagentaRouge et Vert

Bleu

Cyan + JauneRouge et BleuVert
Magenta + JauneVert et BleuRouge
Cyan + Magenta + JauneRouge, Vert et BleuNoir (Absence de lumière)

Le mélange d'une peinture cyan et d'une peinture jaune donne une substance verte quand elle est éclairée en lumière blanche. En effet, la peinture cyan absorbe le rouge, la peinture jaune absorbe le bleu et donc il ne reste du blanc que le vert.

Tout se passe comme si on superposait deux filtres cyan et jaune :

-
Superposition de deux filtres de couleurs primaires en synthèse soustractive
-
Schéma récapitulatif de la synthèse soustractive des couleurs
Couleurs secondaires en synthèse soustractive

On appelle couleur secondaire en synthèse soustractive la couleur d'une substance colorée obtenue par le mélange de deux substances colorées de couleurs primaires de la synthèse soustractive.

Les couleurs secondaires de la synthèse soustractive sont donc d'après le tableau de la propriété précédente :

  • Le bleu
  • Le vert
  • Le rouge

Le mélange d'une substance de couleur magenta et d'une substance de couleur jaune donne une substance de couleur rouge. C'est-à-dire que le mélange en synthèse soustractive de magenta et de jaune donne du rouge. Le rouge est une couleur secondaire en synthèse soustractive.

2

Généralisation et le cercle chromatique

Synthèse soustractive

On appelle synthèse soustractive toute opération visant à obtenir une couleur en retirant certaines couleurs de la lumière blanche. On est dans le cadre de la synthèse soustractive quand :

  • On superpose des filtres de couleurs primaires de la synthèse soustractive.
  • On mélange des substances de couleurs primaires de la synthèse soustractive.

Une imprimante couleur à jets d'encre n'utilise que trois encres des couleurs primaires de la synthèse soustractive (cartouche cyan, cartouche magenta et cartouche jaune). En mélangeant ces encres dans diverses proportions, elle permet par synthèse soustractive de reproduire sur papier un grand nombre de couleurs.

En synthèse soustractive, on soustrait, c'est-à-dire on absorbe, des couleurs à partir de la lumière blanche. Pour cela, on additionne des substances colorées ou on superpose des filtres. La synthèse soustractive concerne la couleur des objets et des substances.

En mélangeant des substances colorées de couleurs primaires en proportions variées, on obtient en théorie une infinité de couleurs par synthèse soustractive.

En mélangeant en quantité égale de la peinture magenta et de la peinture jaune, on obtient de la peinture rouge.

Si l'on souhaite obtenir de la peinture orange, il suffit d'augmenter la proportion de peinture jaune dans le mélange.

Couleur complémentaire

On appelle couleurs complémentaires un couple de couleurs tel que :

  • La synthèse additive de ces deux couleurs donne du blanc.
  • La synthèse soustractive de ces deux couleurs donne du noir.
  • La couleur absorbée par une des couleurs du couple est l'autre couleur du couple.

Le cyan absorbe le rouge. Le cyan et le rouge sont donc deux couleurs complémentaires. En effet :

  • En synthèse additive cyan + rouge = bleu + vert + rouge = blanc.
  • En synthèse soustractive, le cyan absorbe le rouge et le rouge absorbe le bleu et le vert donc le cyan + le rouge absorbe le rouge, le bleu et le vert et il ne reste rien de la lumière blanche. On obtient donc du noir.

Deux couleurs complémentaires sont diamétralement opposées sur un cercle chromatique.

On donne ci-dessous un exemple de cercle chromatique :

-

Le magenta et le vert sont diamétralement opposés dans le cercle chromatique. Ce sont donc bien des couleurs complémentaires comme le prévoit le modèle à trois couleurs.

3

Application à l'impression et à la peinture

L'impression permet de reproduire une infinité de nuances de couleur en mélangeant en proportions diverses trois substances de couleurs primaires de la synthèse soustractive. C'est une application directe de la synthèse soustractive et elle montre la puissance du modèle à trois couleurs.

En peinture, il est aussi possible d'obtenir toutes les couleurs à partir des trois couleurs primaires de la même manière. Il est aussi possible de se servir de pigments directement de la couleur souhaitée.

III

Les substances colorées

A

Pigments et colorants

1

Définitions

Colorant

On appelle colorant une substance colorée qui a la propriété de former un mélange homogène avec son milieu d'utilisation :

  • Un colorant solide sera donc soluble dans le liquide qu'il doit colorer (et formera ainsi une solution).
  • Un colorant liquide sera donc miscible avec le liquide qu'il doit colorer.

Les solutions obtenues sont de ce fait toujours limpides.

Les colorants alimentaires utilisés pour colorer la menthe à l'eau, la tartrazine (E102) et le bleu patenté V (E131) sont très solubles dans l'eau. Le sirop obtenu et ses dissolutions sont parfaitement limpides.

Pigment

On appelle pigment une substance colorée généralement solide insoluble dans son milieu d'utilisation.

Quand un pigment solide est mélangé à un liquide, on obtient une suspension qui est forcément opaque.

Les ocres sont des minéraux allant du jaune au rouge. Ils sont extraits du sol et utilisés depuis des millénaires comme pigments dans les peintures. On les retrouve notamment dans les peintures des grottes de Lascaux.

Les ocres sont insolubles dans l'eau : ils forment une suspension qui a tendance à se décanter. Cette suspension est opaque.

2

Propriétés et utilisation.

Les propriétés des colorants et des pigments sont comparées dans le tableau ci-dessous :

ColorantsPigments
Ils forment des solutions limpides.Ils forment des suspensions opaques.
Les mélanges formés sont stables.Les mélanges formés sont instables : ils se décantent.
Une filtration ne change pas la couleur du mélange.Une filtration permet de séparer le pigment du reste du mélange.
Ils peuvent être naturels ou de synthèse.Ils peuvent être naturels ou de synthèse.

Les colorants sont souvent utilisés dans l'industrie agroalimentaire et dans l'industrie pharmaceutique. Ils permettent d'obtenir des produits de couleurs agréables ou correspondant aux attentes de clients. En peinture, les colorants sont réservés aux peintures translucides comme les lasures et les vernis.

Les pigments sont massivement utilisés dans les peintures opaques, c'est-à-dire l'immense majorité des peintures. Afin de limiter et de ralentir la décantation des mélanges, on utilise des liants.

B

La chromatographie

1

Position du problème : mélange ou corps pur ?

Une substance peut être verte pour deux raisons différentes (au moins) :

  • C'est un corps pur de couleur verte.
  • C'est un mélange de deux substances dont l'une est jaune et l'autre cyan.

La chromatographie permet de séparer les constituants de mélange et donc de savoir dans laquelle des situations on se trouve.

2

Mise en œuvre expérimentale et exploitation des résultats

Chromatographie

On appelle chromatographie un ensemble de techniques visant à séparer des mélanges qui fontionnent suivant le principe suivant : la substance à analyser est déposée sur une phase fixe, puis une phase mobile liquide monte par capillarité et entraîne à des hauteurs et des vitesses différentes les éventuels différents composants de la substance à analyser.

On utilise au laboratoire principalement la chromatographie sur papier et les chromatographies sur couche mince, dans laquelle la phase stationnaire est une poudre de silice compactée.

-
Chromatographie sur couche mince d'une substance verte
Analyse d'une substance colorée verte inconnue par chromatographie sur couche mince

Préparation : On dépose la substance à analyser à environ 1 cm du bord inférieur de la plaque à chromatographie recouverte d'une couche mince de silice. On dépose sur la même ligne trois substances connues :

  • Substance A : un colorant vert très courant
  • Substance B : un colorant jaune très courant
  • Substance C : un colorant cyan très courant

Elution : la plaque est déposée délicatement dans la cuve à chromatographie au fond de laquelle se trouve l'éluant. On prend garde à ce que les dépôts soient au-dessus de l'éluant. On couvre par un couvercle et on attend que l'éluant monte par capillarité jusqu'à quasiment le sommet de la plaque à chromatographie.

Exploitation : La plaque est retirée et posée à l'horizontale. On remarque que :

  • La substance à analyser a été séparée en deux taches distinctes. C'était donc un mélange et non un corps pur.
  • Les deux taches sont à la même hauteur que les taches formées par les substances B et C. On en déduit que la substance à analyser est un mélange des substances B et C.
C

Influence de certains paramètres sur la couleur d'une substance chimique

1

L'exemple de l'extrait de chou rouge

-
Influence du pH sur la couleur de l'extrait de chou rouge

On extrait une substance colorée violette du chou rouge en le faisant bouillir. Ce colorant change de couleur en fonction du pH du milieu :

  • En milieu acide, il est rouge.
  • En milieu neutre, il est bleu.
  • En milieu basique, il est jaune.
2

Généralisation : l'influence du pH

Le pH a une influence sur la couleur de nombreuses substances colorées.

Les indicateurs colorés sont des substances qui changent de couleur en fonction du pH. Le colorant du chou rouge en est un exemple naturel. On en utilise certains autres pour fabriquer le "papier pH". Ces indicateurs colorés sont bien utiles car ils permettent de déterminer rapidement et sans matériel le pH d'une solution.

Les pigments utilisés dans certaines peintures d'art sont également sensibles aux variations du pH. Ainsi certaines couleurs ont évolué au cours du temps suite à l'exposition au dioxyde de carbone de l'air (qui est un acide).

3

Exemples d'influence d'autres paramètres

D'autres paramètres peuvent être responsables du changement de couleur d'une substance colorée, par exemple :

  • La température : certains thermomètres frontaux utilisent cette propriété.
  • L'humidité : certains minéraux changent de couleur en fonction de l'humidité ambiante.
  • Le solvant utilisé : le diiode est orangé en solution aqueuse et violet en solution dans un solvant organique.
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