Les couleurs sont une perception de notre cerveau des ondes électromagnétiques dans un domaine bien précis de longueurs d’onde. Sur l’exemple de la couleur rouge nous vous proposons de comprendre ce qui peut expliquer la couleur d’une solution, d’établir un modèle et de s’en servir comme outil de mesure.

Première générale - Enseignement de spécialité

Objectif : Comprendre ce qui peut expliquer la couleur d’une solution, son lien avec la concentration d’une espèce colorée et comment s’en servir pour déterminer la quantité d’une espèce colorée dans un échantillon.

Constitution et transformation de la matière
Thème 1 - Suivi de l’évolution d’un système, siège d’une transformation.
Partie A - Détermination de la composition du système initial à l’aide de grandeurs physiques.

Notions et contenus : Absorbance, spectre d’absorption, couleur d’une espèce en solution, loi de Beer-Lambert.

Depuis l’Antiquité, les Hommes utilisent le vinaigre pour ses multiples propriétés : conserver, soigner, désinfecter, digérer les substances grasses… En cosmétique, par ses propriétés astringentes, il servait à nettoyer et tonifier la peau…

Aujourd’hui, c’est l’assaisonnement par excellence pour rehausser le goût, aseptiser les huîtres crues par ses propriétés antiseptiques et antifongiques ou pour le plaisir avec quelques échalotes finement hachées ! Adoucissant, il nous sert à détartrer la cafetière ou autres appareils électroménagers, à faire briller l’argent et le chrome, à laver nos vitres et toute verrerie sans laisser de traces…

Première STL

Objectif : Déterminer la composition du vinaigre et étudier sa qualité de détartrant.

Constitution et transformation de la matière
Acides et Bases, pKa, domaines de prédominance
Concentration, densité, dilution
Schéma de Lewis
Électronégativité, liaison covalente polarisée, lien structure / propriétés physiques
Fonction chimique
Concentration, densité, dilution, quantité de matière

Mesures et incertitudes : Sources d’erreur. Expression du résultat. Valeur de référence

Synthèses chimiques et analyses physico-chimiques : Hydrogène labile. Dosage direct par titrage. Fiches données sécurité

Activité expérimentale : Identification et dosage par changement de couleur de l’acide contenu dans le vinaigre

Le dioxyde de carbone, CO₂, est une molécule essentielle à la vie. Sans elle il n’y aurait pas de photosynthèse et la vie sur Terre n’existerait pas. Cependant, cette molécule est fortement responsable de l’effet de serre. C’est pour cela que les scientifiques cherchent à développer des méthodes pour diminuer son émission ou pour la stocker afin de la recycler.

Seconde Physique-Chimie

Objectif : Découvrir les voies de stockage et de recyclage pour répondre aux enjeux environnementaux d’une molécule à effet de serre : le CO₂

Constitution et transformation de la matière
Thème 2 - Modélisation des transformations de la matière et transfert d’énergie
Partie B - Transformations chimiques

Notions et contenus : Modélisation macroscopique d’une transformation chimique par une réaction chimique. Écriture symbolique d’une réaction chimique. Stoechiométrie, réactif limitant.

Le sucre est produit à l’échelle mondiale à partir de canne à sucre (70 à 80 %) ou à partir de betterave à sucre. La France est le premier producteur mondial de sucre de betterave : 46 000 personnes travaillent dans cette filière et la production pour 2017/2018 a été de 6,1 Mt de sucre dont 3,35 Mt exportées [1]. C’est une activité saisonnière car la racine de betterave doit être traitée sitôt l’arrachage réalisé.

L’obtention du sucre à partir de betteraves a été introduite par Chaptal au début du 19^e siècle, suite au blocus imposé par l’Angleterre à la France sous Napoléon 1^er. En 1911 un décret impérial ordonnait l’ensemencement de 32 000 hectares de betteraves [2] [3]. Aujourd’hui ce sont 485 000 hectares en France qui fournissent la betterave sucrière [1].

Il ne faut pas confondre le sucre (saccharose) avec les sucres (fructose, glucose..). La racine de la betterave contient 18 à 20 % de saccharose, 77 % d’eau et d’autres composés nommés « non-sucres » (des sucres, du potassium, du sodium, des acides minéraux et organiques et des matières organiques azotées) [4] [8].

Le procédé d’obtention du sucre a évolué afin de répondre aux exigences du développement durable : limiter les rejets, CO₂ compris, diminuer la consommation d’énergie et d’eau et favoriser le recyclage.

1- Lavage

Les racines de betteraves, reçues à la sucrerie à l’automne, sont immédiatement traitées par un lavage pour ôter la terre, les feuilles, et les cailloux (réutilisables). L’eau de lavage est majoritairement recyclée dans l’atelier de lavage ou stockée (lagunage) puis utilisée au printemps en irrigation [4] [6] [7].

2- Découpage, extraction du jus brut et obtention des pulpes

On réalise l’extraction par diffusion (extraction par différence de concentration entre l’intérieur des cellules et l’eau d’extraction). Les betteraves sont découpées sous forme de cossettes qui circulent à contre-courant de l’eau. Cette eau est issue en partie du pressage des pulpes (eau de presse) et en partie de condensats provenant de l’évaporation de l’eau du jus de betterave (cf. § 4.Concentration du jus).

Les conditions optimales sont une température comprise entre 70°C et 80°C et un pH de 5,6. Comme le pH de l’intérieur des cellules vaut 6,3 il faut à la fois acidifier la solution mais aussi lui conférer un pouvoir tampon ; on ajoute donc à l’eau d’extraction de l’acide sulfurique et du carbonate de calcium (nommé aussi écumes). On récupère ainsi le jus brut, ou jus vert, contenant le saccharose et, à part, les cossettes traitées, nommées pulpes. Celles-ci sont ensuite pressées pour récupérer l’eau de presse qui sera réinjectée pour l’extraction du jus brut, puis séchées afin d’être valorisées en alimentation animale [4].

3- Épuration du jus

Le jus brut, vert-noir, acide et mousseux contient des impuretés minérales et organiques. L’épuration se fait en 4 étapes : chaulage, carbonatation, décalcification et décoloration [4].

a- Obtention du lait de chaux, réalisée au sein de l’usine en 2 étapes

À partir du calcaire (CaCO₃), on obtient de la chaux selon :

CaCO_3(s) → CaO_(s) + CO_2(g)

Cette réaction nécessite un apport de chaleur qui est fourni par la réaction de combustion du coke (C). Le dioxyde de carbone est recyclé dans l’étape de carbonatation (cf. 3.c. Carbonatation).

La chaux vive est ensuite mélangée au petit jus issu du lavage des boues (cf. 3.c. Carbonatation) pour obtenir le lait de chaux selon :

CaO_(s) + H₂O_(l) → Ca(OH)_2(aq)

b- Chaulage

En ajoutant le lait de chaux au jus brut, les ions calcium, Ca²⁺, précipitent les bases conjuguées de différents acides (oxalique, citrique, phosphorique…) et favorisent la coagulation des protéines. Le jus perd alors sa mousse, et la coloration brun-noir s’atténue. Les ions hydroxydes, OH^-, précipitent certains cations (aluminium, fer ou magnésium), réagissent sur les ions ammonium et les amides pour former de l’ammoniac, décomposent le sucre inverti (mélange de glucose et fructose provenant de la décomposition du saccharose) en divers sels d’acides et saponifient les matières grasses.

c- Carbonatation

La chaux en excès est éliminée, en introduisant le dioxyde de carbone obtenu dans l’étape (a), ce qui fait précipiter le carbonate de calcium selon :

Ca(OH)_2(aq) + CO_2(g) → CaCO_3(s) + H₂O_(l)

On obtient un jus sucré clair de pH voisin de 11. Les boues de carbonate de calcium ont entrainé les autres précipités et sont légèrement sucrées. Elles sont lavées pour récupérer le petit jus recyclé dans l’étape a. Par ailleurs les écumes (riches en CaCO₃), sont vendues pour l’amendement des sols.

d- Décalcification et décoloration

À cette étape du procédé le jus obtenu contient encore des ions calcium. Un passage sur des résines échangeuses d’ions les remplace par des ions sodium, Na⁺. L’ajout d’une solution d’hydrogénosulfite de sodium (NaHSO₃) ou de dioxyde de soufre (SO₂) permet une décoloration du jus, par réduction des substances organiques colorantes (caramel…).

4- Concentration du jus

La concentration du jus se fait par évaporation de l’eau (environ 80 % en masse du jus). L’optimisation des procédés d’évaporation limite au maximum les coûts énergétiques [5]. On obtient un sirop contenant environ 70 % de matières sèches dissoutes (nommées « Brix») dont le saccharose représente environ 92 % (on parle de taux de pureté du Brix) [6]. La concentration est proche de la limite de solubilité du saccharose.

5- Cristallisation du sucre à partir du sirop

Après trois étapes de cristallisation, appelées jets, (succession de cuisson, malaxage et essorage), on obtient du saccharose pur et l’on récupère une liqueur enrichie en « non sucre » et impuretés nommée mélasse. Celle-ci a un Brix de l’ordre de 80 % qui contient encore 62 % de saccharose [5]. À partir du sirop le rendement massique est de 85 % en saccharose et 15 % en mélasse.

En résumé, le sucre (100 % de saccharose) est un produit biosourcé, issu du végétal et renouvelable, qui nécessite de nombreuses étapes pour son extraction de la betterave à sa purification. Le procédé génère divers produits secondaires qui sont valorisés : cailloux pour chaussées, pulpes pour l’alimentation animale, écumes pour amendement des sols, eau de lavage des betteraves pour épandage [8].

Afin de limiter les coûts et l’impact environnemental, l’eau utilisée est principalement celle issue de la betterave elle-même et de nombreux recyclages sont mis en œuvre pour en limiter la consommation [9].

Sucre © Cozine / Adobe Stock

Pour approfondir et illustrer ce sujet :

[1] Sucre, produits sucrés : Chiffres-clés de consommation 2018-2019 sur le site lesucre.com
[2] L’approvisionnement en sucre sous le Bloc continental de Denis Brançon et Claude Viel, L'Actualité Chimique n° 205 (Juillet 1997) p. 34-38
[3] Le sucre de betterave et l'essor de son industrie : Des premiers travaux jusqu'à la fin de la guerre de 1914-1918 de Denis Brançon et Claude Viel, Revue d’histoire de la pharmacie n°322 (1999) pp. 235-246
[4] Procédés de transformation en sucrerie (partie I) de Martine Decloux Techniques de l’Ingénieur F 6150 (2002)
[5] Procédés de transformation en sucrerie (partie II) de Martine Decloux Techniques de l’Ingénieur F 6151 (2003)
[6] vidéo le sucre naturellement : CRDP et CEDUS
[7] vidéo Au cœur d’une sucrerie sur le site lesucre.com
[8] Schémas de la fabrication du sucre de betterave sur le site du Syndicat National de la fabrication du Sucre
[9] Les entrées et sorties d’eau sur le site du Syndicat National de la fabrication du sucre

Les étapes de la synthèse d’un alcaloide,  la bipléiophylline, sont présentées dans cet article : couplage oxydant, addition 1-4, couplage biomimétique. Les différentes étapes de cette synthèse sont ensuite transposées à l’obtention d’autres molécules naturelles.

Accédez au texte original (lien externe)

Cet article présente une panoplie de solvants biosourcés, issus par exemple de la fermentation des sucres ou extraits de la biomasse. Leurs utilisations potentielles dépendent de leur température d’ébullition,  ainsi que de l’existence de mélanges eutectiques (deep eutectic solvent). Cet article explique aussi la difficulté de transposer à l’heure actuelle les synthèses industrielles en utilisant ce type de solvant. Des tableaux rassemblent les différentes propriétés et permettent de comparer les solvants classiques aux solvants biosourcés.

Accédez au texte original (lien externe)

L’utilisation de matériaux biosourcés comme les huiles végétales ou les sucres permet d’obtenir une large gamme de synthons grâce à la catalyse organométallique et ainsi d’accéder à des tensioactifs, des polymères tels que les polycarbonates à base d’isosorbide et même des médicaments comme l’Isordil utilisé dans le traitement de l’insuffisance cardiaque.

Accédez au texte original (lien externe)

Des films métalliques mésoporeux chiraux sont obtenus par réduction électrochimiques de sels de platine en présence d’une molécule chirale modèle. Ces films métalliques permettent d’analyser l’énantiomérie par voltampérométrie cyclique et de réaliser des réductions énantiosélectives.

Accédez au texte original (lien externe)

La liaison halogène est une interaction intermoléculaire où un atome d’halogène est activé et peut jouer le rôle d’un électrophile vis-à-vis d’une base de Lewis. La taille, la polarisabilité, le caractère lipophile des halogènes ainsi que la directionnalité marquée de cette liaison permettent des développements originaux : reconnaissance d’anions, organo-catalyse, conducteurs organiques, mise en œuvre de cristaux liquides ou de gels, hormones thyroïdiennes.

Accédez au texte original (lien externe)

L’artémisinine est préconisée pour le traitement du paludisme. L’obtention de l’artémisinine directement à partir de l’armoise annuelle s’avère délicate, il est plus aisé d’extraire l’acide artémisinique de la plante puis de réaliser des hémisynthèses. Plusieurs voies de synthèses sont envisagées dont l’une, très prometteuse pour la mise en œuvre industrielle, met en jeu un processus photochimique.

Accédez au texte original (lien externe)