Fiche explicative de la leçon : Polymérisation Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire la formation de différents types de polymères et énumérer des utilisations et exemples courants.

Un « polymère » est un type de produit chimique. Un polymère est un produit chimique qui peut être fabriqué en assemblant de nombreuses unités individuelles. Nous regroupons les produits chimiques qui partagent cette propriété car ils ont de nombreuses caractéristiques en commun. Le mot est composé de poly- qui signifie « plusieurs » et -mère qui signifie « parties ».

Les unités pouvant être transformées en polymères sont appelées des monomères.

On peut imaginer que ceci est un monomère:

Et que ce sont cinq monomères distincts:

Et que ceci est un polymère constitué de cinq monomères:

Définition : Polymère

Un composé chimique qui peut être formé à partir d’unités chimiques similaires (monomères) qui s’assemblent.

Il n’y a pas de strict minimum concernant le nombre de monomères dont vous avez besoin pour appeler un produit chimique un polymère, mais, en général, nous nous attendons à plus de 10 monomères environ dans un polymère. Cependant, il n’y a pas de limite supérieure, donc les polymères peuvent avoir des milliers d’unités.

Parfois, nous utilisons le mot monomère pour désigner une unité du polymère, et parfois nous l’utilisons pour désigner l’unité à partir de laquelle le polymère a été fabriqué. Lorsque les monomères se combinent, ils vont changer chimiquement, mais ils auront généralement l’air très similaire avant et après la réaction.

Définition : Monomère

Un monomère est une unité chimique qui peut se combiner avec elle-même ou avec des unités similaires pour former une chaîne ou une unité chimique faisant partie d’une chaîne.

Il existe de nombreux exemples de polymères:cellulose, nylon, amidon, polystyrène, etc. Certains polymères sont présents naturellement et d’autres sont entièrement synthétiques.

En résumé, il existe deux types de polymères.

Il y a des polymères qui peuvent se former lorsque les liaisons internes des monomères changent et que les monomères se lient ensemble.

C’est ce qu’on appelle des polymères d’addition.

Définition : Polymère d’addition

Un polymère d’addition est un polymère qui peut se former à partir de monomères sans formation de sous-produits.

En outre, il existe des polymères qui se forment lorsque des morceaux de monomères se détachent et que les restes se lient entre eux.

C’est ce qu’on appelle des polymères de condensation.

Définition : Polymère de condensation

Un polymère de condensation est un polymère qui peut se former à partir de monomères avec la production d’un sous-produit, soit une petite molécule.

Une réaction de polymérisation par addition ou condensation conduira toujours à une substance ayant une masse moléculaire supérieure à celle des monomères. Pour une polyaddition, la masse moléculaire du produit sera simplement la somme des masses moléculaires des monomères (si nous ignorons les produits chimiques qui déclenchent la polymérisation et qui pourraient être attachés aux extrémités).

Les noms des polymères sont souvent écrits comme ceci:poly(nomdumonomère).

Ainsi, le polymère fabriqué à partir de styrène est appelé poly(styrène). Parfois, les parenthèses ne sont pas écrites, c’est une notation acceptée.

Certains polymères ont plusieurs noms différents:noms officiels, noms d’usage et noms commerciaux.

Voici quelques-unes des appellations du poly(tétrafluoroéthène).

Les polymères d’addition importants comprennent:

  • le poly(styrène) (PS),
  • le poly(propène) (PP),
  • le poly(éthène).

Pour fabriquer un polymère d’addition, nous avons besoin d’un monomère avec une liaison insaturée (nous pouvons fabriquer des polymères en ouvrant et en joignant des cycles ensemble, mais nous ne verrons pas cela ici).

Par exemple, nous pouvons utiliser une double liaison carbone-carbone:

CC

Si nous avons ce type de liaison dans un produit chimique, nous pourrions utiliser ce produit chimique pour former un polymère en « ouvrant » la double liaison carbone-carbone pour former 2 liaisons simples carbone-carbone:

CCCC

Dans cette réaction, nous voyons une liaison 𝜋 se rompre (2pz- 2pz) et deux liaisons 𝜎 se former.

Voyons en détail le polymère d’addition le plus simple, le poly(éthène), qu’on appelle habituellement polyéthylène.

Ceci est le monomère éthène:

CHCHHH

En présence d’un catalyseur et d’une quantité de chaleur et de pression suffisante, l’éthène peut être amené à se polymériser.

Deux molécules d’éthène réagiraient en laissant des atomes de carbone ayant seulement trois liaisons aux deux extrémités, ce qui n’est pas stable:

+CHHCHHCHHCHHCHHCHHCHCHHH

Cependant, avec les bons catalyseurs et autres produits chimiques, des polymères stables peuvent être produits:

Nous pouvons représenter la chaîne des monomères en utilisant des cercles pour nous aider à la visualiser:

Alors, que se passe-t-il aux extrémités de la chaîne?Cela dépasse le cadre de cette fiche explicative, mais cela dépend de la façon dont la polymérisation est effectuée. En règle générale, ce qui se trouve au bout d’une longue chaîne de polymère n’a pas beaucoup d’effet sur le comportement du polymère.

Voici quelques polymères d'addition couramment utilisés, avec leurs monomères et leurs utilisations courantes, ainsi que les propriétés utiles des polymères qui leur permettent d'être bien employés dans ces utilisations courantes.

Exemple 1: Identifier le monomère possible qui peut être utilisé pour fabriquer un polymère compte tenu de sa structure

Examinez le polymère suivant:

nCCHClHH

Lequel des hydrocarbures halogénés suivants peut être utilisé pour le fabriquer?

Réponse

La structure du polymère qui a été donnée possède une unité de répétition composée de deux atomes de carbone, trois atomes d’hydrogène, et un atome de chlore. Le motif va se répéter n fois, formant la totalité de la molécule de polymère (nous pouvons généralement ignorer ce qui se passe aux extrémités).

Il existe plusieurs façons de fabriquer ce type de polymère, mais la plus efficace et la plus simple implique la polymérisation d’un monomère qui contient uniquement les atomes qui se retrouvent dans le polymère, dans le bon rapport.

Chacune des options contient du carbone et du chlore, mais B ne contient aucun hydrogène, nous pouvons donc l’éliminer immédiatement.

Pour former un polymère à partir d’un monomère, le monomère doit être capable de former des liaisons simples supplémentaires (par exemple, en ayant des liaisons doubles ou triples pouvant « s’ouvrir »), ou des parties du monomère doivent être perdues de sorte que le prochain monomère peut se fixer à la chaîne. E et A sont complètement saturés, nous pouvons donc les éliminer.

Les autres monomères possibles sont C et D. C a deux chlore au lieu d’un, de sorte que le polymère qui sera produit à partir de C ne correspondra pas au polymère donné.

Si nous polymérisons D, la double liaison carbone-carbone sera rompue et des liaisons simples seront formées entre les extrémités des monomères, produisant une chaîne ayant le bon rapport de carbone, chlore et hydrogène.

La réponse est D.

Exemple 2: Déterminer le monomère à partir de l’acronyme du polymère

Remplissez le blanc:le polymère PVC est produit lors de la polyaddition du .

Réponse

PVC est l’acronyme de poly(vinyl chloride) en anglais, comprenez poly(chlorure de vinyle). Le polychlorure de vinyle est le polymère obtenu à partir du monomère chlorure de vinyle. Vinyle est un terme utilisé pour un groupe éthényle:

Le chlorure de vinyle se compose d’un groupe vinyle lié à un atome de chlore:

Le nom IUPAC de ce produit chimique est le chloroéthène.

Par conséquent, la réponse est le chloroéthène.

Les polymères de condensation importants comprennent

  • l’ADN,
  • l’amidon,
  • la cellulose,
  • les polyesters, comme le poly(éthylène téréphtalate) (PET),
  • les polyamides, comme le nylon.

Les polymères de condensation ont tendance à être plus biodégradables que les polymères d’addition, en particulier si les petites molécules éliminées lors de leur formation se trouvent dans l’environnement.

Le type le plus courant de polycondensation implique la production d’eau en tant que sous-produit.

Par exemple, la réaction de deux monomères différents produit du poly(éthylène téréphtalate), qu’on connaît autrement sous le nom de PET. Ce plastique est utilisé pour fabriquer des bouteilles d’eau en plastique jetables. Dans une réaction possible, un diol (un produit chimique avec deux groupes alcool) réagit avec un acide dicarboxylique (un produit chimique avec deux groupes acide carboxylique).

C’est la réaction de condensation qui produit du poly(éthylène téréphtalate) et de l’eau:

nnnn++COOHCOOHCOOHCOOCCHHHHOHOCHCHHOHHHH2O

Nous pouvons la simplifier, en montrant simplement les éléments impliqués dans la réaction:

nnnn++H2OCOOHOHOHCOOHOHOCOCOOH

Quand on regarde de plus près, on voit que ce polymère est fait en utilisant des liens ester, de sorte que le poly(éthylène téréphtalate) est qualifié de polyester. C’est le groupe ester qui relie les monomères ensemble:

OCO

Nous pouvons simplifier davantage notre image et voir que les deux monomères sont alternés le long de la chaîne:

Ce type de polymère est appelé un copolymère.

Définition : Copolymère

Un copolymère est un polymère qui peut être préparé à partir de deux ou plusieurs monomères différents.

Les monomères ne sont pas nécessairement alternés.

Il est possible de fabriquer du poly(éthylène téréphtalate) à partir d’un seul monomère, mais il est plus coûteux de le faire de cette façon.

Exemple 3: Identifier la structure correcte d’un polymère de condensation général

Quelle est la structure correcte du polymère de condensation formé entre les deux monomères suivants?

AABB

Réponse

Ici, il y a deux types de monomères:un rectangle avec des groupes A aux deux extrémités et un ovale avec des groupes B aux deux extrémités.

Un polymère de condensation est un type de polymère produit par une réaction de polymérisation avec des sous-produits qui sont des petites molécules. Cela signifie que nous devons perdre quelque chose de ces monomères lorsque nous formons le polymère.

En pratique, la petite molécule obtenue en sous-produit sera constituée de morceaux provenant des deux monomères (par exemple, H et HO formant HO2 ou H et CHO3 formant CHOH3). Par conséquent, nous nous attendons à ce que quelque chose se détache des deux monomères lorsque le polymère se forme.

Les groupes A et B peuvent être détachés, formant un sous-produit AB. Cela laisse un polymère composé d’une alternance de rectangles et d’ovales.

Cela correspond à C.

n

Voici quelques polymères de condensation couramment utilisés, avec leurs monomères et leurs utilisations courantes,

Type de polymère
Exemple
Monomères courants
Sous-produit (petite molécule)
Utilisations
Polyester
Poly(téréphtalate d’éthylène)
Un diol + un acide dicarboxylique
Eau
Emballages
Polyamide
Nylons
Une diamine + un acide dicarboxylique
Eau
Vêtements
Polypeptide
Protéines
Acides aminés
Eau
Assurer les processus biologiques
Polynucléotide
ADN
Acides nucléiques
Substance autre que l’eau
Stockage de données génétiques

Résumons ce dont nous avons discuté concernant la polymérisation.

Points clés

  • Les polymères sont des produits chimiques qui peuvent être fabriqués à partir d’unités répétitives appelées monomères.
  • Les polymères d’addition sont formés à partir de monomères sans sous-produit.
  • Les polymères de condensation sont formés à partir de monomères avec la perte d’une petite molécule obtenu en sous-produit, comme l’eau (HO2).
  • Les copolymères sont des polymères qui peuvent être préparés en utilisant deux ou plusieurs monomères différents.

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