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Vidéo de la leçon : Polymérisation Chimie

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

18:58

Transcription de vidéo

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

Un polymère est une grande molécule constituée de nombreuses sous-unités se répétant. Le poly- dans polymère signifie « beaucoup », comme un polygone à plusieurs côtés. Le -mère dans polymère signifie des parties, donc un polymère est une molécule avec de nombreuses parties qui s’emboîtent comme des maillons dans une chaîne. Nous appelons les sous-unités répétitives du polymère ou, en d’autres termes, les liens individuels qui composent les monomères de la chaîne. Dans l’exemple simplifié que nous avons dessiné ici, les cercles orange qui composent la chaîne sont ses monomères. Et nous pouvons les appeler des monomères, qu’ils fassent partie de la chaîne ou qu’ils en soient séparés. Lorsque nous construisons un polymère, nous ajoutons des monomères en bout de chaîne, ce qui le rend plus long. Il convient de noter que les polymères peuvent avoir plusieurs longueurs différentes. Ils peuvent être longs de 10 unités, 1000 unités, voire 1000000 unités.

Plus tard dans la vidéo, nous en apprendrons plus sur la structure chimique précise de ces blocs de construction. Pour l’instant, examinons les différents genres de polymères qui peuvent se former. La principale façon de classer les polymères les divise en deux grands groupes. Pour certains polymères, aucun sous-produit n’est produit pendant leur formation, comme dans l’exemple supérieur présenté ici. Pour les autres polymères, leur formation crée un sous-produit, comme dans l’exemple inférieur. Lorsqu’aucun sous-produit ne se forme, nous appelons cela un polymère d’addition car les monomères peuvent simplement être additionnés ensemble pour créer le polymère. Un polymère d’addition se forme généralement lorsque les liaisons internes du monomère peuvent se réorganiser pour former de nouvelles liaisons afin de créer le polymère. Par exemple, une liaison double dans un polymère peut changer pour former une liaison simple dans le polymère plus une liaison simple avec le monomère suivant dans la chaîne.

Quand un sous-produit se forme lors de la création d’un polymère, nous appelons ce polymère un polymère de condensation. L’eau est un sous-produit courant de ces réactions. Il convient de noter que puisque le sous-produit ne fait pas partie du polymère qui se forme, ce polymère a une masse inférieure à la masse combinée des monomères de départ. Cependant, comme la formation d’un polymère d’addition n’implique que le réarrangement des liaisons, le polymère obtenu a la même masse que la masse combinée de ses polymères de départ. Avant de plonger plus profondément dans ces processus, examinons de plus près comment nous nommons et dessinons les polymères.

Le composé dessiné ici est appelé tétrafluoroéthène. Il peut exister en tant que molécule indépendante. Il peut également exister sous la forme du monomère constituant un polymère. Le polymère est tracé comme ceci avec une unité monomérique entre crochets ou parfois entre parenthèses, suivie de la lettre 𝑛. Cette lettre 𝑛 représente le nombre d’unités répétitives dans la chaîne du polymère, qui est souvent un grand nombre. Pour former ce polymère particulier à partir de ce monomère, la double liaison entre les atomes de carbone se rompt pour former la nouvelle liaison avec la prochaine unité monomérique de la chaîne. Le dessin du polymère montre cette nouvelle liaison qui continue la chaîne. Il montre également que la liaison double a été remplacée par une liaison simple reliant les deux atomes de carbone. Nous pouvons également voir la liaison qui relie cette unité monomérique à l’unité monomérique précédente de la chaîne.

Pour nommer ce polymère, nous associons simplement le préfixe poly- avec le nom du monomère. Dans ce cas, cela fait poly(tétrafluoroéthène). Comme nous l’avons écrit ici, le nom du monomère est entre parenthèses, bien que vous puissiez le voir écrit sans ces parenthèses également. Bien sûr, en chimie, un composé aura souvent plusieurs noms. Éthène et éthylène sont deux noms différents pour le même composé, nous pouvons donc aussi appeler ce polymère poly(tétrafluoroéthylène). Ce nom peut être dur à prononcer, il est donc souvent abrégé en abréviation de quatre lettres PTFE. Nous pouvons également utiliser le nom IUPAC plus précis pour ce composé, le poly(1,1,2,2-tétrafluoroéthylène). Le 1,1,2,2 fait référence au fait qu’il y a deux atomes de fluor sur le premier carbone et deux autres atomes de fluor sur le deuxième carbone.

Lorsqu’un composé est utilisé dans un produit commercial, il porte généralement un nom plus accrocheur et plus facile à retenir. Le nom commercial du poly(tétrafluoroéthène) est le Téflon, le revêtement antiadhésif qui apparaît sur de nombreuses casseroles. Regardons de plus près comment ce polymère est formé. Nous commençons par un monomère. Pour la formation d’un polymère d’addition, nous avons besoin d’une liaison insaturée. Comme nous le verrons dans un instant, les électrons supplémentaires dans cette liaison sont la clé de la formation du polymère. Si nous rassemblons plusieurs monomères, aucune réaction ne se produira spontanément. Cependant, si nous ajoutons un catalyseur, de la chaleur et de la pression, des changements commencent à apparaître.

La double liaison entre les deux atomes de carbone du monomère représente quatre électrons communs. Lorsque nous ajoutons un catalyseur, de la chaleur et de la pression dans ce scénario, deux des électrons restent sous la forme d’une liaison simple entre les deux atomes de carbone. Pendant ce temps, chacun des atomes de carbone reprend l’un des électrons pour former une nouvelle liaison ailleurs. Ce même changement se produit dans d’autres monomères lorsqu’ils sont ajoutés à la chaîne. Ces électrons finissent par être partagés entre les atomes de carbone de monomères adjacents. Ces électrons forment une liaison simple qui relie les monomères dans la chaîne.

Ce processus se répète encore et encore, ajoutant encore plus de liens à la chaîne. À un moment donné, le polymère devra se terminer. Mais que se passe-t-il lorsque cet atome de carbone ne peut plus former de nouvelle liaison avec le prochain monomère de la chaîne ? La réponse précise dépasse le cadre de cette vidéo, mais en tant que réponse simplifiée, nous pouvons dire qu’il existe une forme de capuchon chimique qui se lie à l’atome de carbone, ajoutant une stabilité à l’extrémité du polymère.

Pour l’instant, concentrons-nous sur le milieu de la chaîne. Il convient de noter que lorsque ces nouvelles liaisons se forment, les atomes impliqués ne restent pas au même endroit; ils se tordent et se déplacent. Ainsi, cette chaîne de quatre atomes de carbone connectés avec huit atomes de fluor attachés pourrait plus communément être dessinée comme ceci. Et puisque nous montrons généralement une seule unité monomérique du polymère répétitif, nous pouvons la condenser encore davantage pour ressembler à ceci. Cette forme finale avec l’unité monomérique entre parenthèses suivie de la lettre 𝑛 est la façon dont nous notons généralement un polymère.

Divers monomères peuvent se combiner pour former des polymères d’addition avec un large éventail d’utilisations quotidiennes. Le monomère éthène peut perdre sa liaison double pour former un polymère appelé poly(éthène). Le poly(éthène) est un plastique utilisé pour fabriquer des sacs, des bouteilles et des gants. Un autre polymère d’addition est le poly(propène). Le poly(propène) peut être utilisé pour fabriquer des contenants alimentaires, des emballages et des jouets, ainsi qu’un tissu synthétique. Le nom technique de ce troisième polymère est poly(chloroéthène). Cependant, il est plus généralement appelé polychlorure de vinyle ou d’après l’abréviation PVC. Le PVC est utilisé pour fabriquer des tuyaux, des cadres de fenêtres et des isolants de câbles. Le dernier polymère de la liste, le poly(tétrafluoroéthène), est également connu sous le nom de Téflon. Comme nous l’avons mentionné précédemment, le Téflon est utilisé pour faire les revêtements antiadhésifs sur de nombreuses casseroles et poêles.

Maintenant, regardons la formation de l’autre genre de polymère, un polymère de condensation. Pour rappel, la principale différence entre un polymère d’addition et un polymère de condensation est que, lorsque nous fabriquons un polymère de condensation, un sous-produit se forme. Dans cet exemple, nous allons voir l’association d’un acide dicarboxylique, ou d’une molécule avec deux groupes carboxyles, et d’un diol, ou d’une molécule avec deux groupes hydroxyles. Lorsque ces deux molécules s’associent de cette manière, un atome d’oxygène et un atome d’hydrogène de l’acide dicarboxylique ainsi qu’un atome d’hydrogène du diol peuvent se combiner pour former une molécule d’eau en tant que sous-produit.

Lorsque les atomes composant la molécule d’eau se détachent de l’atome de carbone de l’acide dicarboxylique et de l’atome d’oxygène du diol, une nouvelle liaison se forme entre ces deux atomes reliant les monomères séparés précédemment. Un processus similaire peut se répéter pour connecter l’extrémité de la molécule de diol au début de la prochaine molécule d’acide dicarboxylique. Encore une fois, une molécule d’eau se forme, créant une nouvelle liaison pour ajouter le monomère suivant à la chaîne. Lorsque nous lions ensemble ces monomères de cette manière, le polymère qui émerge est appelé poly(téréphtalate d’éthylène). Comme les molécules de cet exemple sont un peu compliquées, nous n’avons pas à nous inquiéter pour le moment de les nommer avec précision.

Ici, nous pouvons voir la nouvelle liaison qui s’est formée entre la fin de l’acide dicarboxylique et le début du diol. Le poly(téréphtalate d’éthylène) est un exemple de copolymère ou de polymère pouvant être préparé à partir de deux monomères différents ou plus. Dans cet exemple, au lieu d’avoir un seul monomère pour constituer l’unité répétitive, deux monomères différents se combinent pour constituer l’unité répétitive du polymère. Si nous voulions écrire ce processus comme une équation chimique, nous pourrions dire que 𝑛 molécules de cet acide dicarboxylique et 𝑛 molécules de ce diol se combinent pour former une molécule de poly(téréphtalate d’éthylène) avec n sous-unités répétitives et deux 𝑛 moins un molécules d’eau.

Comme nous l’avons mentionné précédemment, au cours de ce processus, une molécule d’eau est créée entre ces deux monomères, et une autre molécule est créée lorsque nous lions le diol au début de l’acide dicarboxylique suivant. À un moment donné, la chaîne devra se terminer par un groupe hydroxyle au lieu de produire une autre molécule d’eau. Deux molécules d’eau par unité répétitive moins une pour le capuchon à la fin expliquent les deux n moins un molécules d’eau que nous voyons écrites dans cette équation. L’eau est un sous-produit courant de la formation d’un polymère de condensation, bien que d’autres sous-produits soient possibles.

Passons en revue quelques exemples de polymères de condensation. Le polymère que nous venons de voir, le poly(téréphtalate d’éthylène), est un exemple de polyester. Les polyesters sont généralement fabriqués à partir de l’association d’un diol et d’un acide dicarboxylique avec comme sous-produit l’eau. Il est utilisé dans les emballages et les tissus. Vous connaissez peut-être le tissu en nylon. Il existe différents types de nylon, chacun appartenant à la catégorie des polyamides.

Une diamine plus un acide dicarboxylique est un moyen de fabriquer du nylon, bien qu’il existe une grande variété de combinaisons. Le sous-produit est l’eau. Les nylons sont principalement utilisés dans les vêtements. Les protéines qui remplissent les fonctions des cellules et des organismes vivants sont des polymères constitués de monomères d’acides aminés. Nous appelons parfois les protéines des polypeptides. Encore une fois, le sous-produit est l’eau. Les fonctions biologiques telles que la respiration, la digestion et la lutte contre les maladies sont toutes réalisées à la plus petite échelle par des protéines.

Un autre polymère biologique est l’ADN, qui est un polynucléotide. L’ADN est une chaîne polymérique de monomères d’acides nucléiques. À mesure que les acides nucléiques sont ajoutés à la chaîne, le pyrophosphate chimique est libéré en tant que sous-produit. L’information génétique transmise d’un organisme à l’autre est stockée sous forme de polymère d’acides nucléiques. Maintenant que nous avons étudié les polymères, faisons un problème pratique pour réviser.

Considérons le polymère suivant. Lequel des hydrocarbures halogénés suivants peut être utilisé pour le fabriquer ?

Il s’agit d’une question sur les polymères. Plus précisément, il s’agit de fabriquer des polymères. Lequel des cinq choix de réponse est la sous-unité répétitive ou le monomère qui compose le polymère ? Une première question qu’on peut se poser est de savoir si ce polymère est un polymère d’addition ou un polymère de condensation. La principale différence entre un polymère d’addition et un polymère de condensation est que lorsque nous fabriquons un polymère d’addition, aucun sous-produit ne se forme. Mais lorsque nous fabriquons un polymère de condensation, un sous-produit se forme. Souvent, ce sous-produit est de l’eau.

Si nous regardons les choix de réponse, plusieurs caractéristiques clés se démarquent. Premièrement, il n’y a de groupe hydroxyle dans aucun des choix de réponse. Aucun groupe hydroxyle signifie qu’aucune molécule d’eau ne peut se former en tant que sous-produit, ce qui suggère qu’il ne s’agit pas d’un polymère de condensation. Et bien qu’un autre sous-produit soit techniquement possible, la présence de doubles liaisons dans plusieurs des choix de réponses suggère qu’il s’agit d’un polymère d’addition.

Comme nous le verrons dans un instant, les électrons supplémentaires de la double liaison permettent la formation de nouvelles liaisons qui forment un polymère sans sous-produit. Pour faire simple, les polymères d’addition sont constitués de monomères avec des liaisons insaturées. Habituellement, cela signifie une liaison double, bien que cela puisse signifier une liaison triple. Ainsi, nous pouvons éliminer le choix (A) et le choix (E) car ils ne contiennent que des liaisons simples saturées. Effaçons le choix (E) pour avoir plus de place pour travailler. Les choix de réponse restants ont chacun la même structure centrale, deux atomes de carbone avec une liaison double entre eux. Cette structure est une structure commune pour le monomère d’un polymère d’addition, car la liaison 𝜋 de la double liaison peut se rompre, et les électrons peuvent être utilisés pour former une nouvelle liaison avec le prochain monomère de la chaîne.

Le motif peut continuer à relier de plus en plus de monomères. Le résultat final est une chaîne continue d’atomes de carbone avec des liaisons simples entre eux. Mais qu’en est-il des atomes liés à la chaîne du carbone ? Ces atomes sont différents dans chacun des trois choix de réponse restants. Eh bien, les atomes fixés restent inchangés tout au long de ce processus. Alors que les atomes de carbone changent la façon dont ils se lient les uns aux autres, les atomes fixés restent simplement fixés lorsque la structure centrale change. Donc, si notre polymère final possède une unité répétitive avec trois atomes d’hydrogène et un atome de chlore fixé à la chaîne carbonée, cela signifie que notre polymère de départ avait également trois atomes d’hydrogène et un atome de chlore fixés à ses atomes de carbone.

La structure indiquée dans le choix (D) est la bonne réponse. Elle a la double liaison nécessaire pour former la colonne vertébrale du polymère d’addition, ainsi que les atomes correctement fixés. Alors, lequel des hydrocarbures halogénés suivants peut être utilisé pour fabriquer ce polymère ? C’est le choix (D).

Maintenant que nous avons appris ce qu’est la polymérisation, passons en revue les points clés de la vidéo. Les polymères sont des molécules constituées de nombreuses sous-unités répétitives appelées monomères. Un type de polymère, les polymères d’addition, est formé sans sous-produit. Habituellement, les liaisons du monomère peuvent se réorganiser pour former le polymère. Des exemples de polymères d’addition comprennent le poly(éthène), le PVC et le Téflon. L’autre type de polymère, les polymères de condensation, est produit en même temps qu’un sous-produit. Souvent, ce sous-produit est de l’eau. Des exemples de polymères de condensation comprennent les nylons, les protéines et l’ADN.

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