La séparation des couleurs par chromatographie

Chromatographie avec feutres

Nous vous proposons avec cette expérience de partir à la recherche des colorants qui composent les encres de vos feutres. Vous découvrirez que la palette de couleurs d'une boîte de feutre peut être obtenue avec un nombre restreint de colorants. Vous utiliserez pour cela une version simple de la technique de chromatographie dont l'usage est très répandu en biologie et en chimie pour séparer les constituants présents dans des mélanges. Le principe consiste à faire un dépôt d'encre sur un support solide absorbant et à faire "remonter" par capillarité un liquide à travers ce dépôt. Si l'encre est composée d'un mélange de plusieurs colorants,  ceux-ci sont entraînés à des vitesses différentes suivant leur affinité avec le support solide et leur solubilité dans le liquide. Ils se retrouvent après un certain temps plus ou moins loin de leur dépôt initial et peuvent être identifiés par leur couleur propre.

Le principe de l'expérience est simple mais les résultats dépendent de nombreux paramètres, comme le choix du liquide (eau, eau salée, vinaigre, etc.) ou du support solide (filtre à café, essuie-tout, mouchoir en papier, papier buvard, etc.). Et comme nous vous le montrons ici avec l'exemple d'une boîte de 12 feutres, plusieurs étapes sont généralement nécessaires avant de pouvoir conclure. Les fabricants de feutres n'utilisant pas tous les mêmes recettes, il vous faudra très probablement mettre au point votre propre protocole expérimental pour analyser les encres de vos feutres.

Remarques : cette page est essentiellement descriptive et nous n'expliquerons pas les effets de tel liquide ou de tel support solide sur les migrations des colorants. Attention également aux rendus des couleurs sur les photos (et à l'écran), pas toujours fidèles à ce qu'on peut voir avec ses yeux !

Matériel

Matériel pour chromatographie
  • Boîte de feutres à l'eau (une dizaine au minimum, pour avoir suffisamment de couleurs différentes)
  • Paire de ciseaux
  • Gobelets plastiques
  • Filtres à café blanchis (et non pas "non blanchis")
  • Essuie-tout
  • Mouchoir en papier
  • Vinaigre blanc
  • Eau
  • Sel
  • En option : papier buvard (disponible dans certaines papeteries)

Protocole

  • Étape 1 : découper une bande dans un filtre à café qui constituera (dans un premier temps) le support solide absorbant de l'expérience.
  • Étape 2 : faire sur cette bande un trait de couleur à environ 2 cm de l'extrémité étroite de la bande (celle qui trempera dans le liquide) et colorier un rond avec le même feutre à l'autre extrémité (rond "témoin", qui ne sera pas mouillé).
  • Étape 3 : verser un fond de liquide dans le gobelet  (un cm au plus). On pourra placer en travers un objet fin (crayon, baguette en bois, etc.) sur lequel on pourra faire tenir la bande de filtre à café.
  • Étape 4 : faire tremper l'extrémité étroite de la bande de filtre à café. Le point de couleur ne doit pas tremper directement dans le liquide : si celui-ci se colore, il faut le changer et renouveler l'expérience.
  • Étape 5 : laisser le liquide remonter par capillarité dans le filtre et attendre qu'environ les deux tiers du filtre soient mouillés (cela prend plusieurs minutes).
  • Étape 6 : retirer le filtre du liquide et le déposer pour séchage sur un feuille de papier propre. Il faut attendre le séchage complet du filtre pour analyser les résultats obtenus.

On renouvellera ce protocole pour chacun des feutres que l'on souhaite analyser.

Remarque : le "poids" des colorants ne jouant pas de rôle dans cette expérience, les résultats seraient les mêmes si les filtres étaient disposés à plat, ou même si la migration du liquide se faisait vers le bas.

Premières observations

Voici pour commencer ce que nous avons obtenu avec un trempage de 7 min dans l'eau du robinet. Les 12 bandes de filtre à café ont été découpées dans un même filtre.

Les colorants composant les encres des feutres ont migré de plusieurs centimètres depuis leurs points de dépôt. En observant les taches de couleur obtenues, nous voyons que les encres de certains feutres sont constitués d'un mélange de colorants. C'est le cas ici pour les feutres noir, marron, violet, bleu foncé, vert foncé et vert clair (pour parler des couleurs des feutres nous utilisons ici les noms usuels, même s'ils ne correspondent pas toujours aux termes utilisés en colorimétrie).  D'autres feutres par contre ne semblent être composés que d'un seul colorant. C'est le cas des feutres chair, rose, rouge, orange, jaune et bleu clair. Si certains colorants sont facilement identifiables (le CYAN que l'on retrouve dans l'encre des feutres noir, marron, bleu foncé et bleu clair, vert foncé et vert clair), il est difficile d'en déterminer le nombre exact. Par exemple, nous voyons pour le feutre vert foncé trois couleurs différentes, de "bas" en "haut" du JAUNE, du VERT et du CYAN, comme si la séparation des colorants JAUNE et CYAN n'avait pas été complète (le VERT peut être obtenu par un mélange de pigments ou de colorants JAUNE et CYAN).

On remarque également des déformations importantes dans le front de migration des colorants au sein d'une même bande de filtre à café (regarder en particulier les bords des filtres), liés à la structure irrégulière des fibres des filtres.

Tests de différents liquides

Nous avons cherché à mieux séparer les colorants en changeant de liquide. Pour cela, nous avons comparé les chromatographies de notre encre noire obtenues en trempant des bandes de filtre à café 7 minutes dans de l'eau, de l'eau salée, de l'eau mélangée à du bicarbonate de soude et du vinaigre blanc (pur).

Différents liquides pour chromatographie

Nous voyons que quand le liquide n'est pas de l'eau seule, les colorants s'étalent sur des distances beaucoup plus grandes, ce qui facilite leur observation. Pour l'eau salée et l'eau avec du bicarbonate de soude, la couleur NOIRE n'est plus visible et deux zones, MAGENTA-ORANGÉ et CYAN s'étendent sur la quasi-totalité du filtre (sur 6 cm). Dans le cas du vinaigre, on trouve une zone CYAN et une zone ROUGE-MAGENTA, séparées par une petite zone JAUNE (pas très visible sur la photo), ce qui suggère que l'encre noire serait composée de trois colorants ROUGE-MAGENTA, JAUNE et CYAN. On remarquera qu'avec le vinaigre, le "bas" de la zone ROUGE-MAGENTA correspond au dépôt d'encre initial, donc à des colorants qui ne se sont pas (ou presque pas) déplacés.

Chromatographie dans l'eau salée

Les chromatographies de nos 12 feutres (disposées dans le même ordre que précédemment) réalisées avec de l'eau salée sont présentées sur la photo ci-contre. L'influence de la concentration en sel sur les résultats est discutée ici.

Il est à présent clair que les encres vertes ont été obtenues en mélangeant des colorants JAUNE et CYAN (avec un peu plus de CYAN que de JAUNE pour le feutre vert foncé) et les encres bleues en mélangeant des colorants CYAN et MAGENTA (presque uniquement du CYAN pour le bleu clair, plus de MAGENTA que de CYAN pour le violet). L'encre jaune semble pure, composée d'un seul colorant JAUNE (on retrouve le fait que c'est une couleur primaire). 

La situation est plus confuse pour les autres feutres. Pour les feutres chair, rose, rouge et orange, le colorant CYAN est absent mais on observe toutes les nuances allant du JAUNE au ROUGE en passant par le MAGENTA. Les encres marron et noire montrent la plus grande variété de couleurs, avec de l'ORANGE, du ROUGE-MAGENTA et du CYAN.

En comparant les chromatographies des feutres verts et bleus, on peut constater qu'il existe un fort recouvrement entre les zones de migration des colorants JAUNE et MAGENTA (attention : cette comparaison est délicate avec des bandes de filtre à café, comme nous le discutons ici). Ces deux colorants ne seront donc pas efficacement séparés par l'eau salée s'ils sont mélangés dans les encres de certains feutres. D'après les règles de mélanges des matières colorées, nous savons qu'il est possible d'obtenir du ROUGE et du ORANGE en mélangeant du JAUNE et du MAGENTA. On peut donc se demander si les teintes allant du JAUNE au ROUGE qui apparaissent sur les chromatographies de certains feutres ne sont pas des mélanges des colorants JAUNE et MAGENTA.

Chromatographie dans du vinaigre

Mais en remplaçant l'eau salée par du vinaigre (voir photo ci-contre) nous voyons que ce sont 5 colorants différents et pas 3 qui composent les encres de nos feutres. Aux colorants JAUNE, CYAN et MAGENTA identifiés précédemment avec l'eau salée s'ajoutent des colorants ROUGE-MAGENTA et ORANGE. Nos 12 feutres auraient ainsi les compositions suivantes : chair = ORANGE ; rose = ROUGE-MAGENTA + MAGENTA ; rouge = ROUGE-MAGENTA + JAUNE ; orange = ORANGE ; jaune = JAUNE ; vert clair et vert foncé = JAUNE + CYAN ; bleu clair, bleu foncé et violet = CYAN + MAGENTA ; marron et noir = ROUGE-MAGENTA + JAUNE + CYAN (avec plus de JAUNE et moins de CYAN dans le marron que dans le noir).

Chose remarquable avec le vinaigre : un même colorant peut se retrouver plus ou moins loin de la ligne de dépôt ! C'est notamment le cas du CYAN qui est loin de la ligne de dépôt quand il est associé au JAUNE (encres vertes) et proche de la ligne de dépôt quand il est associé au MAGENTA (encres bleues).

Tests de différents supports solides absorbants

Nous avons également testé différents supports absorbants trempés dans de l'eau salée : filtre à café, essuie-tout, mouchoir en papier et papier buvard. Les temps de trempage sont très différents d'un support à l'autre (jusqu'à plus de 30 min avec une bande de mouchoir en papier), mais surtout certains supports montrent plus de teintes que d'autres. La présence de trois colorants dans l'encre noire est clairement visible avec le mouchoir en papier. Le papier buvard montre la même chose, avec en plus une meilleure séparation entre les colorants ROUGE-MAGENTA et CYAN.

Dans l'exemple suivant, les chromatographies de nos 12 feutres ont été effectuées en une seule fois sur du papier buvard : le bas du papier a été trempé 12 minutes dans une boîte à fond plat contenant de l'eau salée. Nous retrouvons les mêmes 5 colorants qu'avec le vinaigre et les filtres à café (pas toujours dans le même ordre !). On notera que la zone de migration du colorant ROUGE-MAGENTA recouvre partiellement celle du colorant JAUNE, ce qui pourrait expliquer la teinte JAUNE-ORANGÉ observée pour les encres rouge, marron et noire.

Chromatographie sur du papier buvard

Discussion

Nous avons ainsi trouvé, en utilisant différents liquides et différents supports solides, que les encres de nos feutres sont composées de 5 colorants.  Parmi ces colorants, on retrouve les trois couleurs primaires de la synthèse soustractive CYAN, MAGENTA et JAUNE qui en principe suffiraient à obtenir toutes les autres par mélange, mais pas seulement. Le fabriquant de nos feutres semble avoir également utilisé des colorants ORANGE et ROUGE-MAGENTA.  Avec d'autres marques de feutres les résultats peuvent être différents, comme le montre la photo suivante où la situation est encore plus complexe.

Il est important de noter que si des encres ne font pas apparaître de nouvelles colorations par chromatographie, on ne peut jamais être certain qu'elles sont vraiment "pures" (sauf s'il s'agit d'une des trois couleurs primaires CYAN, MAGENTA et JAUNE, qui ne peuvent pas s'obtenir par mélange d'autres couleurs) : les choix du support solide absorbant et du liquide ne permettent peut-être pas de les décomposer.

Chromatographie créative

Il est également possible d'utiliser la chromatographie comme technique de création artistique. Par exemple, si vous voulez faire des "fleurs de chromatographie", il vous suffira de découper un disque dans un filtre à café, de dessiner sur sa surface des points ou des traits de différentes couleurs en laissant blanche la zone centrale, sur laquelle vous déposerez des gouttes d'eau (salée dans notre cas pour bien "étaler" les couleurs). Un verre pourra servir de support pour poser le disque, et un morceau de paille en plastique (il faut boucher/ déboucher l'extrémité de la paille pour retenir/ lâcher le liquide) permettra de contrôler le dépôt des gouttes d'eau. Chaque tache d'encre est décomposée par la migration de l'eau du centre vers la périphérie du disque, dessinant les pétales d'une fleur. D'après les résultats précédents, les couleurs les plus sombres, généralement composées de plusieurs colorants, seront celles qui donneront les résultats les plus spectaculaires. Une fois sec, ce disque pourra être utilisé pour créer des objets plus élaborés (bouquet de fleurs, etc.).

Fleurs de chromatographie