Couleur d'une solution diluée (Physique)

[Chmiman]

Bonsoir , ma question est speciale , j'en ai conscience . Si j'ai de la grenadine pure , c'est un rouge précis , bien intense , alors que si je la dilue avec de l'eau la couleur s'etompe et de plus en plus plus je rajoute de l'eau , c'est la dilution me direz vous . Mais au point de vue physique , et c'est pour cela que je post pas en chimie car je veux parler de rayons diffusées etc .. eh bien comment cela se fait que rajouter de l'eau qui est un liquide qui laisse passer la lumière , on ait une couleur rouge moins intense ? Cela n'est pas instinctif chez moi, si je vais au cœur de la matière , si je dilue , les molécules responsables de la couleur rouge s'éloignent , mais entre elles il y a des molécules qui n'absorbent presque rien puisque l'eau laisse juste passer les rayons , donc au niveau de notre œil , cela renvoie la même chose , mais juste avec des rayons plus espacés car les molécules le sont aussi , mais cela laisserait entendre que sur un si petit volume comme un tube à essai notre œil distingue la distance des rayons ! Car la lumière renvoyée à nos yeux reste la meme au final , mais le fait que ces rayons soient moins concentrés , comment notre œil traduit cela en intensité de couleur ?

Sur ce que je dis , je prends en compte que ce que j'avance est juste , c'est à dire que les explications sont bonnes , mais je n'en sait rien apres tout . Je vous remercie de votre lecture , je suis de niveau première S et passionné de questions physiques et chimie , d'où cette question qui peut paraître bête !

D'ailleurs j'en profite pour dire que je comprends mal comment la nature des réactions chimiques fait que les molécules dissoutes sont équitablement réparties à chaque fois , c'est quand même un peu fort que la nature mette autant de soluté dans la même unité de volume , je trouve ça fascinant ! À moins que ce soit juste pour faciliter les calculs et la proportionnalité.
Merci de vos reponse et bonne soirée
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[mach3]

Quelques pistes : transmitance, absorbance, loi de Beer-Lambert

Regardez déjà de ce côté là, le temps que moi ou quelqu'un d'autre poste une explication plus complète.

m@ch3

[Chmiman]

Sur la loi de beer Lambert , je peux dire que je la subis , on me dit cela dans cette loi mais la loi ( que j'ai étudiée en tp notamment ) m'aide juste à appliquer quelque chose sur laquelle je bloque au final . Le fait qu'une solution colorée concentrée absorbe d'avantage qu'une solution moins concentrée c'est parceque + de rayons sont absorbés car + de molécules au millimètre cube !

[mach3]

Pour un photon d'une fréquence (ou longueur d'onde) donnée, une molécule donnée a une certaine probabilité de l'absorber. Admettons pour l'exemple que cette probabilité est de 1/2 pour une certaine molécule d'un composé A et une longueur d'onde lambda. On envoit 1000 photons de cette longueur d'onde sur cette molécule : statiquement, 500 sont absorbés, si ces 500 croisent de nouveau une molécule de A, 250 sont absorbés et 250 continuent leur route, si il en croisent une 3e, 125 sont absorbés, etc (c'est un peu simplifié mais c'est l'idée).
Si la lumière croise 10 molécules, l'intensité est divisée par 1000, si elle en croise 20, par 1 million. C'est une exponentielle décroissante. On appelle le rapport entre intensité transmise et intensité incidente la transmitance. Elle est caractéristique du nombre de molécules de A dans le milieu traversé. Elle dépend de la concentration en molécules A du milieu et de l'épaisseur du milieu.
Par exemple si pour une concentration donné, 1 cm de milieu à une transmitance de 0,1, il absorbe 9/10 des photons (1000 photons qui entrent, 100 sortent), alors, le cm suivant absorbera à nouveau 9/10 (pour 100 qui entrent, 10 sortent), la transmitance de 2 cm de milieu sera de 0,01.
L'influence de la concentration et du même ordre : si on la double, la transmitance est mise au carré.
Il est plus pratique d'utiliser une autre grandeur, l'absorbance, qui est l'opposé du logarithme de la transmitance. Ainsi une transmitance de 0,1 donne une absorbance 1, et une transmitance de 0,01 donne une absorbance de 2. Du coup l'absorbance augmente proportionnellement à l'épaisseur du milieu et à la concentration : c'est la loi de Beer-Lambert

m@ch3

[A voir en vidéo sur Futura]

[Chmiman]

Je comprends votre explication mais je n'arrive pas à faire le lien avec mon histoire de grenadine !

[mach3]

Raisonnons avec un modèle simplifié.
Considérons qu'il n'y a que 3 photons différents, le rouge, le vert et le bleu, et que les cônes de nos rétines détectent spécifiquement chacun d'eux (en réalité chaque type de cône est sensible sur une plage de longueur d'onde et ces plages se recouvrent partiellement, mais ne compliquons pas). Suivant la proportions de photons rouges, verts et bleus reçus, la sensation de couleur va varier (voir ou revoir la synthèse additive des couleurs).
Admettons que dans la grenadine, il y ait une molécule qui n'absorbe que les photons vert et bleu. Si la lumière rencontre beaucoup de ces molécules sur son trajet (solution concentré, ou forte épaisseur de grenadine), alors il ne restera que presque que des photons rouge : la couleur sera rouge.
Admettons que pour une concentration de 1, et une épaisseur de 1, il n'y a que 1 photon bleu sur 10000 qui passent et 1 photon vert sur 10000 qui passent, j'aurais donc à la sortie 10000 photons rouges, 1 photon bleu et 1 photon vert, ce sera encore rouge, il y a tellement peu de bleu et de vert que les yeux ne feront pas vraiment la différence. Si je dilue 1 fois, pour aller à une concentration de 0,5, il y aura 100 photons bleus et verts qui passeront pour 10000 photons bleus et verts incidents, j'aurais donc, à la sortie, 10000 photons rouges, 100 photons verts et 100 photons bleu, ça commence à être moins rouge. Je dilue encore, pour aller à 0,33 en concentration : cette fois c'est 1000 photons bleus et verts qui passent pour 10000 photons bleus et vert incidents. A la sortie j'ai 10000 photons rouges, 1000 photons verts et 1000 photons bleus. La couleur perçue n'est plus aussi vive, ça part vers le rose.
Si je dilue vraiment beaucoup, je peux me retrouver avec à la sortie 10000 photons rouges, 9999 photons verts et 9999 photons bleus, ce qui n'est guère différent de la lumière blanche incidente : on ne perçoit plus ou à peine la couleur.

m@ch3

[Chmiman]

Je comprends vos explications , mais je bloque sur 3,4 choses . En quoi l'abondance de photons traduirait l'intensité lumineuse ? Si j'ai 20 marathoniens qui courent en rouge vif , que j'en ai 1 ou 1000 le rouge vif sera perçu de la même façon non ?

Ensuite quand vous dites que les photons "passent " , si je résonne en terme de diffusion , çela veux dire que le liquide diffuse certains photons et en absorbe d'autres .

De plus , l'eau est transparente et non blanche ! Si l'eau était blanche je comprendrait justement ! Mais il se trouve qu'elle ne diffuse pas mais lasse passer comme si de rien n'était !

J'ai un problème sur la notion d'intensité d'une certaine couleur , la nuance d'une certaine couleur et le fait que l'eau soit transparente ( translucide ) , donc que l'eau n'ait aucun effet sur l'absorption et la diffusion des photons

[mach3]

En quoi l'abondance de photons traduirait l'intensité lumineuse ? Si j'ai 20 marathoniens qui courent en rouge vif , que j'en ai 1 ou 1000 le rouge vif sera perçu de la même façon non ?

vos yeux sont sensibles au nombre de photons qu'ils reçoivent par intervalle de temps, et cela est de plus pondéré par la luminosité globale, il y a des mécanismes d'équilibrage des couleurs et de la luminosité, qui font que selon le contexte un même spectre émanent d'un objet sera perçu d'une couleur différente (rappel : la couleur est une sensation, ce n'est pas quelque chose de physique, ce qui est physique c'est le spectre). Un objet qui émet faiblement dans le rouge pourra être vu rouge foncé ou rouge suivant le contexte qui l'entoure (forte ou faible luminosité). Il n'y a en effet pas de lumière "rouge foncé", seulement de la lumière rouge de faible intensité par rapport au contexte.
Imaginons vos marathoniens en rouge qui courent sur une route noire et que vous observez la course de très loin, si loin que vous ne distinguez pas les coureurs. Si il n'y a pas de coureurs la route sera noire, si il y a beaucoup de coureurs elle sera rouge, si il y a un peu de coureurs, elle sera rouge foncé.
Autre exemple, que vous pourrez expérimenter chez vous : utiliser paint, ou tout autre logiciel de dessin pour créer des images monochromes (entièrement rouge, entièrement rouge foncé, ou tout autre couleur, ce sera instructif), visionnez ces images en plein écran, dans une pièce éclairée ou dans le noir complet, de loin ou de près avec une loupe pour voir quels pixels sont allumés et avec quelle intensité. Vous pouvez aussi, mais c'est un peu plus difficile à faire, il faut plus d'expérience en logiciel de dessin, faire des images ou un pixel sur deux ou quatre est rouge vif, les autres étant noirs et regarder l'écran de loin pour voir ce que cela donne.

Ensuite quand vous dites que les photons "passent " , si je résonne en terme de diffusion , çela veux dire que le liquide diffuse certains photons et en absorbe d'autres .

De plus , l'eau est transparente et non blanche ! Si l'eau était blanche je comprendrait justement ! Mais il se trouve qu'elle ne diffuse pas mais lasse passer comme si de rien n'était !

J'ai un problème sur la notion d'intensité d'une certaine couleur , la nuance d'une certaine couleur et le fait que l'eau soit transparente ( translucide ) , donc que l'eau n'ait aucun effet sur l'absorption et la diffusion des photons

Dans la cas de votre grenadine, on peut négliger la diffusion, il n'y a que de la transmission ou de l'absorption. Votre grenadine joue le rôle d'un filtre : tout source lumineuse (primaire ou secondaire), de quelque couleur qu'elle soit sera vu rouge et/ou noir (avec toutes les nuances de rouge foncé intermédiaires) à travers la grenadine si elle est concentrée, en effet quelque soit la lumière incidente, seule la partie rouge du spectre traverse la grenadine concentrée, le reste est absorbé. Si la grenadine est diluée, les parties vertes et bleus passent un peu ou beaucoup, et du coup les couleurs d'origine de la source sont moins altérées. L'eau pure n'absorbe pas (en première approximation, en fait il y a une légère absorption dans le rouge, l'eau est vraiment bleue, mais très faiblement) de lumière visible, donc à travers l'eau, les couleurs ne sont pas altérées, une source blanche (une lampe blanche ou un objet blanc éclairé par une lumière blanche) est vue blanche.

m@ch3

[Chmiman]

Donc l'intensité ne dépend pas de la longueur d'onde du photon mais du nombre ? Donc si j'envoie peu de photons d'une certaine longueur d'onde , la couleur perçue sera peu intense ?

Vous dites qu'il n'y a pas de diffusion , mais si je met une source de lumière qui part de derrière les yeux et que je met mon verre de grenadine devant mes yeux , comment je peut voir la couleur si la grenadine ne diffuse pas la lumière mais la transmet ? Si quelqu'un se met façe a la source de Lumière d'accord , mais sinon comment voit on si les rayons ne reviennent pas dans notre œil ?

Le contexte qui l'entoure , d'accord mais cet objet émet telle couleur , quelque soit l'entourage !

[mach3]

Donc l'intensité ne dépend pas de la longueur d'onde du photon mais du nombre ? Donc si j'envoie peu de photons d'une certaine longueur d'onde , la couleur perçue sera peu intense ?

oui

Vous dites qu'il n'y a pas de diffusion , mais si je met une source de lumière qui part de derrière les yeux et que je met mon verre de grenadine devant mes yeux , comment je peut voir la couleur si la grenadine ne diffuse pas la lumière mais la transmet ? Si quelqu'un se met façe a la source de Lumière d'accord , mais sinon comment voit on si les rayons ne reviennent pas dans notre œil ?

Admettons que vous êtes dans une chambre noire (murs, plafond et sols noirs, ne réfléchissant aucune lumière visible, aucune lumière n'entre de l'extérieur), vous éclairer votre verre de grenadine avec une lumière blanche. Si la grenadine ne diffuse pas, l'alternance de milieux air/verre, verre/grenadine voire air/grenadine provoque des réflexions et des réfractions, du coup, où que soit votre source de lumière, vous aurez presque toujours des rayons venant de la source qui passeront par la grenadine avant d'atteindre votre oeil.
Il y a quand même un peu de diffusion, mais c'est très négligeable dans une solution homogène comme la grenadine : si il y avait de la diffusion significative, la grenadine serait trouble!

Le contexte qui l'entoure , d'accord mais cet objet émet telle couleur , quelque soit l'entourage !

L'objet émet un spectre, pas une couleur et ce spectre ne dépend pas de l'entourage. Ce n'est pas le cas de couleur qui est une sensation. La couleur c'est le résultat du traitement par le cerveau (et un peu la rétine elle-même, qui est un peu un bout de cerveau) et le cerveau traite le champ visuel dans sa globalité. Il y a des illusions d'optiques surprenantes qui montrent cela, par exemple des dessins ou deux zones sont perçues de couleurs différentes alors qu'elles sont exactement de la même couleur (si on les découpe et les regarde hors du contexte du dessin on voit la même couleur) : http://files.tpe-les-illusions-d-opt...62e5a/img4.jpg , ou d'autre une zone normalement incolore apparait colorée (dessinez sur une feuille bien blanche une forme au feutre violet puis à l'intérieur faite la même forme en orange, le trait orange bien collé au trait violet ( http://files.tpe-les-illusions-d-opt...arelle%204.jpg ), normalement l'intérieur de la forme, où n'avez rien dessiné, vous paraitra légèrement orangé au lieu d'être blanc!) . Il y a aussi eu cette histoire de robe qui a fait un buzz de dingue récemment : http://www.lexpress.fr/actualite/sci...r_1656136.html (vous la voyez bleu et noir ou blanche et or vous?).

m@ch3

[Chmiman]

Puis je prendre votre explication sur l'intensité au niveau du nombre de photons comme un axiome ? C'est à dire une chose que je dois admettre car c'est comme cela que ca se passe dans la nature ? Meme si je pense que l'on peut élargir aux ondes en disant que plus il y a d'ondes plus l'intensité est grande !

[mach3]

C'est plus un fait d'observation qu'un axiome. La luminosité perçue par nos yeux ou par un capteur CCD, ou même, une antenne, est lié au nombre de photons. Il y a des nuances à explorer, notamment le lien avec l'énergie transportée par la lumière, qui dépend du nombre de photons et de la longueur d'onde de ces photons.

Peut-être plus tard, si vous le souhaitez.

m@ch3