Monomères et polymères
Monomère : petite molécule qui peut se lier à d'autres comme elle. Polymère : très grosse molécule (une macromolécule) formée de milliers de motifs monomères reliés par des liaisons covalentes.
La partie qui se répète s'appelle le motif de répétition. On l'écrit entre crochets avec n : –(CH₂–CH₂)ₙ– pour le poly(éthène). n peut valoir de 1 000 à 100 000 ou plus.
Le nom : on met « poly » devant le nom du monomère : éthène → poly(éthène), propène → poly(propène), chloroéthène → poly(chloroéthène) = PVC, tétrafluoroéthène → PTFE (revêtement antiadhésif).
Polymérisation par addition
Les monomères doivent avoir une double liaison C=C (ce sont des alcènes). Avec de la chaleur, une forte pression et un catalyseur, une des liaisons de la double liaison se casse. Chaque carbone a alors une liaison libre, qui s'accroche au monomère suivant. Cela se répète des milliers de fois.
n CH₂=CH₂ → –(CH₂–CH₂)ₙ–
- Un seul produit : le polymère. Aucune petite molécule n'est perdue.
- La masse du polymère = n × la masse du monomère.
- Pour dessiner le motif de répétition : prends le monomère, change C=C en C–C, et ajoute une liaison qui dépasse de chaque côté.
Exemples : poly(éthène) (sacs, bouteilles), poly(propène) (cordes, caisses), PVC (tuyaux, gaines de câbles), polystyrène (emballages), PTFE (poêles antiadhésives).
Polymérisation par condensation
Ici, chaque monomère a deux groupes réactifs, un à chaque bout (par exemple –OH, –COOH ou –NH₂). Quand deux groupes réagissent, les monomères se lient et une petite molécule (en général l'eau, H₂O, parfois HCl) est libérée.
- Polyester : un diol (deux –OH) + un diacide carboxylique (deux –COOH) → liaisons ester (–COO–) + eau. Exemple : le PET, utilisé pour les bouteilles et les fibres de vêtements.
- Polyamide : une diamine (deux –NH₂) + un diacide carboxylique → liaisons amide (–CONH–) + eau. Exemple : le nylon, utilisé pour les cordes, les poils de brosse à dents et les parachutes.
| Addition | Condensation | |
|---|---|---|
| Monomère | a une C=C | a 2 groupes réactifs |
| Sous-produit | aucun | petite molécule (H₂O) |
| Exemples | poly(éthène), PVC | nylon, polyester, protéines |
Polymères naturels
- Amidon (réserve d'énergie du riz, du blé, de la pomme de terre) et cellulose (parois des cellules végétales, coton, papier) : des chaînes de glucose. Elles se forment par condensation, en libérant de l'eau.
- Protéines (muscles, cheveux, enzymes, soie, laine) : des chaînes d'environ 20 sortes d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques (amide).
- ADN : des chaînes de quatre sortes de nucléotides, qui gardent l'information génétique.
- Caoutchouc naturel : un polymère d'addition de l'isoprène, tiré du latex de l'hévéa (le Kerala en cultive beaucoup). Chauffer le caoutchouc avec du soufre (vulcanisation) ajoute des liaisons entre les chaînes et le rend plus résistant, comme dans les pneus.
Les polymères semi-synthétiques sont des polymères naturels transformés par la chimie, comme la rayonne (faite à partir de cellulose).
Structure, propriétés et usages
La façon dont les chaînes sont rangées décide du comportement du polymère :
- Thermoplastiques : chaînes séparées, avec seulement de faibles forces entre elles. Ils ramollissent à la chaleur et peuvent être remoulés encore et encore, donc recyclés. Exemples : poly(éthène), PVC, PET, polystyrène.
- Thermodurcissables : chaînes reliées par de fortes liaisons transversales (réticulation). Une fois durcis, ils ne fondent plus ; une forte chaleur les carbonise. Exemples : bakélite (interrupteurs, poignées de casseroles), mélamine (assiettes), colle époxy.
- Élastomères : quelques liaisons transversales permettent aux chaînes de s'étirer puis de reprendre leur forme (caoutchouc).
- Fibres : des chaînes alignées côte à côte donnent une grande résistance dans une direction (nylon, polyester).
Plus les chaînes sont longues, plus elles s'emmêlent : le matériau est plus solide et fond à plus haute température. Le poly(éthène) basse densité a des chaînes ramifiées (sacs souples) ; le poly(éthène) haute densité a des chaînes droites bien serrées (bouteilles et caisses rigides).
Nouveaux matériaux : le Kevlar (gilets pare-balles), les polymères conducteurs et les hydrogels sont conçus en changeant les monomères et la structure des chaînes.
Plastiques et environnement
La plupart des polymères synthétiques sont non biodégradables : les microbes ne savent pas les décomposer, donc ils restent des centaines d'années. Les déchets plastiques bouchent les canalisations, blessent les vaches et les animaux marins, et se brisent en microplastiques. Brûler certains plastiques (comme le PVC) libère des gaz toxiques.
Solutions :
- Réduire et réutiliser : sacs en tissu, bouteilles en acier.
- Recycler les thermoplastiques : on les trie grâce au code de résine (1 = PET, 2 = HDPE, 3 = PVC, 4 = LDPE, 5 = PP, 6 = PS).
- Polymères biodégradables comme le PLA (fait à partir d'amidon de maïs) et le PHBV, que les microbes peuvent décomposer.
- Récupération d'énergie et recyclage chimique pour retrouver les monomères.
La plupart des monomères viennent du pétrole brut, une ressource limitée : c'est une autre raison d'utiliser les polymères avec soin.
Formules et définitions clés
- n CH₂=CH₂ → –(CH₂–CH₂)ₙ– (addition)
- diol + diacide carboxylique → polyester + eau (condensation)
- diamine + diacide carboxylique → polyamide (nylon) + eau
- Masse molaire du polymère ≈ n × masse molaire du motif de répétition
- Monomère : éthène C₂H₄ (28 g/mol) ; propène C₃H₆ (42) ; chloroéthène C₂H₃Cl (62.5)
Exemples résolus
1. Dessine le motif de répétition du poly(propène) à partir du propène CH₂=CH–CH₃.
On ouvre la double liaison : –(CH₂–CH(CH₃))ₙ–. Le groupe CH₃ pend sur le côté de la chaîne.
2. Une molécule de poly(éthène) a n = 5000. Trouve sa masse molaire.
5000 × 28 g/mol = 140 000 g/mol.
3. Pourquoi le nylon est-il un polymère de condensation ?
Ses monomères (une diamine et un diacide carboxylique) se lient par des liaisons amide et libèrent de l'eau à chaque maillon.
4. Pourquoi peut-on recycler une bouteille en PET mais pas un interrupteur en bakélite ?
Le PET est un thermoplastique (chaînes séparées, il fond et se remoule). La bakélite est un thermodurcissable (réticulée, elle ne fond pas).
Erreurs fréquentes
- Croire que n'importe quel monomère peut faire une polymérisation par addition. Il faut une double liaison C=C.
- Oublier la petite molécule (l'eau) dans les équations de polymérisation par condensation.
- Garder la double liaison dans le motif de répétition. Dans le polymère, elle devient une liaison simple.
- Croire que tous les polymères sont des plastiques fabriqués par l'humain. L'amidon, les protéines, l'ADN et le coton sont aussi des polymères.