Pour trouver le motif d'un polymère, cherche le plus petit groupe d'atomes qui se répète tout le long de la chaîne. Dans le polyéthylène, la chaîne s'écrit $\mathrm{\cdots{-}CH_2{-}CH_2{-}CH_2{-}CH_2{-}\cdots}$ : le motif est $\mathrm{{-}CH_2{-}CH_2{-}}$, et on note le polymère $(\mathrm{{-}CH_2{-}CH_2{-}})_n$. Ce motif vient de l'éthène $\mathrm{CH_2{=}CH_2}$, dont la double liaison s'est ouverte pour accrocher les molécules les unes aux autres.
Suivent les deux façons de fabriquer une chaîne, ce qui décide des propriétés, puis huit exercices corrigés.
Monomère, motif, polymère
Définition : un polymère est une macromolécule (une molécule géante) formée de $n$ motifs identiques enchaînés. Le monomère est la petite molécule de départ, le motif est le groupe d'atomes qui se répète dans la chaîne, et $n$ est le degré de polymérisation.
Le monomère est une vraie molécule, qu'on peut mettre dans un flacon ; le motif n'est qu'un morceau de chaîne, avec deux liaisons tendues vers ses voisins. Dans un échantillon, les chaînes n'ont pas toutes la même longueur : $n$ est une moyenne.
Formule : en négligeant les bouts de chaîne,
$$n = \frac{M(\text{polymère})}{M(\text{motif})}$$
avec les deux masses molaires en $\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$. Le nombre $n$ compte des motifs : il n'a pas d'unité.
Le programme de terminale te demande d'identifier le motif d'un polymère à partir de sa formule et de citer des polymères naturels et synthétiques avec leurs usages (programme de physique-chimie de terminale générale).
Polyaddition et polycondensation
Pour former une chaîne, chaque molécule doit pouvoir se lier à deux voisines. Il y a deux façons d'y arriver.
Dans une polyaddition, le monomère porte une double liaison $\mathrm{C{=}C}$ qui s'ouvre : chaque carbone se sert de la liaison libérée pour s'accrocher à un monomère voisin. Aucun atome ne s'en va, donc le motif a la même formule brute que le monomère. Le polyéthylène, le PVC (polychlorure de vinyle) et le polystyrène se fabriquent ainsi.
Dans une polycondensation, deux groupes caractéristiques réagissent entre eux : un acide carboxylique $\mathrm{{-}COOH}$ et une amine $\mathrm{{-}NH_2}$ forment un groupe amide $\mathrm{{-}CO{-}NH{-}}$, un acide et un alcool $\mathrm{{-}OH}$ forment un groupe ester $\mathrm{{-}CO{-}O{-}}$. À chaque lien, une petite molécule est libérée, le plus souvent de l'eau. On obtient ainsi les polyamides, comme le nylon 6,6, et les polyesters, comme le PET (polytéréphtalate d'éthylène).
Piège classique : dans le motif d'un polymère d'addition, la double liaison a disparu. Écrire $\mathrm{{-}CH_2{=}CH_2{-}}$ est faux : chaque carbone aurait cinq liaisons, alors qu'il en forme toujours quatre. Pour remonter au monomère, enlève les deux liaisons vers les voisins et remets la double liaison entre les deux carbones de la chaîne.
Piège classique : en polycondensation, chaque monomère doit porter deux groupes qui réagissent, un à chaque bout. Avec un seul, la molécule se lie une fois puis s'arrête : tu obtiens une petite molécule, pas une chaîne.
Naturels, synthétiques et propriétés
Le vivant fabrique ses propres polymères. La cellulose du bois et du coton et l'amidon de la pomme de terre sont des chaînes de glucose ; les protéines, celles de la laine ou de la soie par exemple, sont des chaînes d'acides α-aminés reliés par des groupes amide ; l'ADN aussi est un polymère.
Les polymères synthétiques sortent de l'industrie : polyéthylène des sacs, PVC des tuyaux et des gaines de câbles, polystyrène des emballages, PET des fibres polyester, nylon 6,6 des pièces mécaniques, des tissus et des cordes (fiche de l'INRS sur le polyamide 6-6).
Leur tenue à la chaleur dépend des liens entre les chaînes. Des chaînes séparées, attirées seulement par des interactions faibles, glissent les unes sur les autres quand on chauffe : le matériau ramollit, fond et peut être remoulé. C'est un thermoplastique. Des chaînes reliées par des liaisons covalentes en un réseau à trois dimensions (on dit réticulées) ne peuvent plus se séparer sans casser ces liaisons : le matériau se décompose sans fondre. C'est un thermodurcissable.
Exercices corrigés
Du plus simple au niveau d'un contrôle. Cherche sur ta feuille avant d'ouvrir chaque correction.
Exercice 1 : Voici un morceau de la chaîne d'un polymère :
$$\mathrm{\cdots{-}CH_2{-}CH(CH_3){-}CH_2{-}CH(CH_3){-}CH_2{-}CH(CH_3){-}\cdots}$$
Donne son motif, puis la formule et le nom de son monomère.
Correction :
Le groupe $\mathrm{{-}CH_2{-}CH(CH_3){-}}$ revient trois fois : c'est le motif, et le polymère s'écrit $(\mathrm{{-}CH_2{-}CH(CH_3){-}})_n$.
En remettant la double liaison entre les deux carbones de la chaîne, on trouve le monomère $\mathrm{CH_2{=}CH{-}CH_3}$, le propène, de même formule brute que le motif, $\mathrm{C_3H_6}$ : c'est une polyaddition. Le polymère est le polypropène, plus connu sous le nom de polypropylène.
Exercice 2 : Le styrène a pour formule $\mathrm{CH_2{=}CH{-}C_6H_5}$, où $\mathrm{C_6H_5}$ est un cycle benzénique. Écris l'équation de sa polymérisation, puis donne la catégorie de cette réaction.
Correction :
Seule la double liaison hors du cycle s'ouvre :
$$n\,\mathrm{CH_2{=}CH{-}C_6H_5} \longrightarrow (\mathrm{{-}CH_2{-}CH(C_6H_5){-}})_n$$
C'est une addition répétée $n$ fois : aucun atome n'est perdu, le motif garde la formule brute du styrène, $\mathrm{C_8H_8}$.
Exercice 3 : Un échantillon de PVC, de formule $(\mathrm{{-}CH_2{-}CHCl{-}})_n$, a une masse molaire moyenne de $1{,}0 \times 10^{5}\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$ (donnée fictive). Calcule son degré de polymérisation moyen. Données : $M(\mathrm{H}) = 1{,}0\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$, $M(\mathrm{C}) = 12{,}0\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$, $M(\mathrm{Cl}) = 35{,}5\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$.
Correction :
Le motif $\mathrm{{-}CH_2{-}CHCl{-}}$ a pour formule brute $\mathrm{C_2H_3Cl}$, donc $M(\text{motif}) = 2 \times 12{,}0 + 3 \times 1{,}0 + 35{,}5 = 62{,}5\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$.
$n = \dfrac{1{,}0 \times 10^{5}}{62{,}5} = 1{,}6 \times 10^{3}$
Une chaîne compte en moyenne $1\,600$ motifs.
Exercice 4 : Le PTFE (polytétrafluoroéthylène) est obtenu par polyaddition du tétrafluoroéthène $\mathrm{CF_2{=}CF_2}$. Un élève écrit son motif $\mathrm{{-}CF_2{=}CF_2{-}}$. Trouve son erreur et corrige-la.
Correction :
Chaque carbone de ce motif aurait cinq liaisons (deux avec le fluor, deux pour la double liaison, une vers le voisin) au lieu de quatre. La double liaison s'est ouverte pendant la polymérisation : le bon motif est $\mathrm{{-}CF_2{-}CF_2{-}}$, et le polymère s'écrit $(\mathrm{{-}CF_2{-}CF_2{-}})_n$.
Exercice 5 : Le nylon 6,6 se fabrique par polycondensation de l'acide hexanedioïque $\mathrm{HOOC{-}(CH_2)_4{-}COOH}$ et de l'hexane-1,6-diamine $\mathrm{H_2N{-}(CH_2)_6{-}NH_2}$.
1. Quel groupe se forme entre les deux molécules, et quelle petite molécule est libérée ?
2. Écris le motif du polymère.
3. D'où vient le nom « 6,6 » ?
Correction :
1. Le groupe $\mathrm{{-}COOH}$ de l'acide réagit avec le groupe $\mathrm{{-}NH_2}$ de l'amine : il se forme un groupe amide $\mathrm{{-}CO{-}NH{-}}$ et une molécule d'eau $\mathrm{H_2O}$.
2. Chaque molécule a un groupe à chaque bout, donc la chaîne grandit des deux côtés. Le motif réunit une molécule de chaque monomère :
$$(\mathrm{{-}CO{-}(CH_2)_4{-}CO{-}NH{-}(CH_2)_6{-}NH{-}})_n$$
3. Chacun des deux monomères compte 6 atomes de carbone.
Exercice 6 : Un élève chauffe de l'acide éthanoïque $\mathrm{CH_3COOH}$ et de l'éthanol $\mathrm{C_2H_5OH}$ avec un catalyseur, en espérant obtenir un polyester. Qu'obtient-il ? Que faudrait-il changer ?
Correction :
Il obtient un ester, l'éthanoate d'éthyle, et de l'eau :
$$\mathrm{CH_3COOH + C_2H_5OH \rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5 + H_2O}$$
Chaque molécule n'avait qu'un groupe : une fois l'ester formé, plus rien ne peut accrocher une troisième molécule. C'est une petite molécule, pas un polymère.
Il faut deux groupes par monomère, un diacide et un diol : l'acide téréphtalique, qui porte deux groupes $\mathrm{{-}COOH}$, et l'éthane-1,2-diol $\mathrm{HO{-}CH_2{-}CH_2{-}OH}$ donnent ainsi le PET.
Exercice 7 : Voici, simplifiée, la fabrication du PVC à partir de l'éthène, d'après la fiche de l'INERIS sur le chlorure de vinyle.
Étape 1 : $\mathrm{CH_2{=}CH_2 + Cl_2 \longrightarrow ClCH_2{-}CH_2Cl}$
Étape 2, par pyrolyse (chauffage à haute température) : $\mathrm{ClCH_2{-}CH_2Cl \longrightarrow CH_2{=}CHCl + HCl}$
Étape 3 : polymérisation du chlorure de vinyle $\mathrm{CH_2{=}CHCl}$.
1. Chaque étape est-elle une addition, une substitution ou une élimination ?
2. Quelle étape allonge la chaîne carbonée ?
Correction :
1. Étape 1 : deux molécules n'en font plus qu'une et la double liaison disparaît, c'est une addition. Étape 2 : la molécule perd $\mathrm{HCl}$ et une double liaison apparaît, c'est une élimination. Étape 3 : une polyaddition, donc une addition répétée.
2. L'étape 3 : les étapes 1 et 2 gardent un squelette de deux carbones.
Exercice 8 : Un fabricant de casseroles hésite entre deux matériaux. Dans A, des chaînes séparées tiennent entre elles par des interactions faibles. Dans B, les chaînes sont reliées par des liaisons covalentes en un réseau à trois dimensions.
1. Lequel choisir pour une poignée qui ne doit pas ramollir près du feu ?
2. Lequel peut être fondu et remoulé pour être recyclé ?
3. Un camarade affirme : « un polymère de polycondensation est forcément thermodurcissable ». A-t-il raison ?
Correction :
1. B : pour le ramollir, il faudrait casser des liaisons covalentes, et la chaleur le décompose avant. C'est un thermodurcissable.
2. A : chauffées, ses chaînes glissent les unes sur les autres, il fond puis redurcit en refroidissant. C'est un thermoplastique.
3. Non. Ce qui compte, ce sont les liens entre les chaînes, pas la réaction qui les a formées. Le nylon 6,6 de l'exercice 5 vient d'une polycondensation, et c'est pourtant un thermoplastique d'après la fiche de l'INRS : ses monomères n'ayant que deux groupes chacun, ses chaînes restent linéaires.
À retenir
À retenir :
- Le motif est le plus petit groupe d'atomes qui se répète ; le polymère s'écrit $(\text{motif})_n$.
- $n = \dfrac{M(\text{polymère})}{M(\text{motif})}$, sans unité.
- Polyaddition : la double liaison $\mathrm{C{=}C}$ s'ouvre et disparaît du motif, aucun atome n'est perdu.
- Polycondensation : deux groupes par monomère, un groupe amide ou ester à chaque lien, une petite molécule libérée.
- Naturels : cellulose, amidon, protéines, ADN. Synthétiques : polyéthylène, PVC, polystyrène, PET, nylon.
- Chaînes séparées : thermoplastique. Chaînes réticulées : thermodurcissable.
Sources
- Programme de physique-chimie de terminale générale, annexe du Bulletin officiel spécial n° 8 du 25 juillet 2019 : texte sur education.gouv.fr.
- INRS, base « Plastiques, risque et analyse thermique », fiche du polyamide 6-6 : fiche sur inrs.fr.
- INERIS, fiche de données toxicologiques et environnementales du chlorure de vinyle, version de 2010 : fiche sur ineris.fr.