Synthèse et Propriétés des Polymères
Comprendre la Synthèse et les Propriétés des Polymères
Les polymères sont des macromolécules constituées de la répétition de petites unités structurales appelées monomères. Leurs propriétés dépendent de la nature des monomères, de la longueur des chaînes et, surtout, de la manière dont ces chaînes sont organisées. On distingue deux grandes familles : les thermoplastiques, dont les chaînes sont indépendantes et peuvent glisser les unes sur les autres sous l'effet de la chaleur, et les thermodurcissables, où les chaînes sont reliées par des liaisons covalentes fortes (pontages), formant un réseau tridimensionnel rigide. Cette différence de structure dicte leur comportement thermique, mécanique et leur recyclabilité.
Données de l'étude
- Masse molaire du styrène (\(\text{C}_8\text{H}_8\)) : \(M_{\text{styrène}} = 104.15 \text{ g/mol}\).
- Masse molaire du phénol (\(\text{C}_6\text{H}_6\text{O}\)) : \(M_{\text{phénol}} = 94.11 \text{ g/mol}\).
- Masse molaire du formaldéhyde (\(\text{CH}_2\text{O}\)) : \(M_{\text{formaldéhyde}} = 30.03 \text{ g/mol}\).
- Masse molaire de l'eau (\(\text{H}_2\text{O}\)) : \(M_{\text{eau}} = 18.02 \text{ g/mol}\).
| Propriété | Polymère A | Polymère B |
|---|---|---|
| Aspect | Transparent, rigide | Opaque, brun, très dur |
| Comportement au chauffage | Ramollit vers 100°C, fond ensuite | Ne fond pas, se dégrade > 300°C |
| Solubilité (Toluène) | Soluble | Insoluble |
| Masse molaire moyenne (\(\bar{M_n}\)) | 156 225 \(\text{g/mol}\) | Non mesurable (infinie) |
Schéma des Structures Polymères
Questions à traiter
- Identifier le Polymère A et le Polymère B comme étant soit thermoplastique, soit thermodurcissable. Justifier votre choix en vous basant sur leurs propriétés.
- La synthèse du Polymère A se fait à partir du styrène. Écrire l'équation de la réaction de polymérisation. De quel type de polymérisation s'agit-il (addition ou condensation) ?
- Pour le Polymère A, calculer le degré de polymérisation moyen (\(\overline{DP_n}\)).
- La synthèse du Polymère B se fait par réaction entre le phénol et le formaldéhyde. Écrire une équation simplifiée montrant la formation d'un pont méthylène entre deux molécules de phénol. De quel type de polymérisation s'agit-il ? Quel est le petit sous-produit éliminé lors de cette réaction ?
- Expliquer, au niveau moléculaire, pourquoi le Polymère A est soluble dans le toluène alors que le Polymère B est insoluble.
- Un matériau thermoplastique comme le Polymère A peut-il être recyclé par refusion ? Et un matériau thermodurcissable comme le Polymère B ? Justifier votre réponse.
Correction : Synthèse et Propriétés des Polymères
Question 1 : Identification des polymères
Principe :
Les propriétés thermiques et la solubilité sont des indicateurs clés pour distinguer les thermoplastiques des thermodurcissables.
Identification :
- Polymère A : C'est un thermoplastique.
Justification : Il ramollit et fond à la chaleur, ce qui indique que les chaînes polymères peuvent glisser les unes par rapport aux autres. De plus, sa solubilité dans un solvant organique (toluène) montre que les chaînes ne sont pas liées chimiquement entre elles et peuvent être séparées par les molécules de solvant. - Polymère B : C'est un thermodurcissable.
Justification : Il ne fond pas à la chaleur mais se dégrade, ce qui est typique d'un réseau tridimensionnel où les liaisons covalentes fortes (pontages) empêchent la fusion. Son insolubilité totale confirme la présence de ce réseau réticulé qui ne peut être "démonté" par un solvant.
Question 2 : Synthèse du Polymère A (Polystyrène)
Principe :
La polymérisation du styrène se fait par l'ouverture de la double liaison C=C de son groupe vinyle, permettant aux monomères de s'additionner les uns aux autres pour former une longue chaîne.
Équation et type de réaction :
Équation de la polymérisation en chaîne du styrène :
Où Ph représente le groupe phényle (\(\text{C}_6\text{H}_5\)).
Il s'agit d'une polymérisation par addition (ou polymérisation en chaîne). Dans ce type de réaction, le monomère est "ajouté" à la chaîne en croissance sans perte d'atomes. La formule brute du motif de répétition est identique à celle du monomère.
Question 3 : Calcul du degré de polymérisation
Principe :
Le degré de polymérisation moyen en nombre (\(\overline{DP_n}\)) représente le nombre moyen d'unités monomères dans une chaîne de polymère. Il se calcule en divisant la masse molaire moyenne en nombre du polymère (\(\bar{M_n}\)) par la masse molaire du monomère (\(M_{\text{monomère}}\)).
Formule et calcul :
Données pour le Polymère A :
- \(\bar{M_n} = 156 225 \text{ g/mol}\)
- \(M_{\text{styrène}} = 104.15 \text{ g/mol}\)
Question 4 : Synthèse du Polymère B (Bakélite)
Principe :
La réaction entre le phénol et le formaldéhyde est une polycondensation, où des monomères polyfonctionnels réagissent ensemble pour former le polymère, avec l'élimination d'une petite molécule (un sous-produit).
Équation simplifiée et type de réaction :
Formation d'un pont méthylène (\(-\text{CH}_2-\)) entre deux molécules de phénol :
Il s'agit d'une polycondensation. Ce type de réaction implique la formation d'une liaison entre les monomères avec l'élimination d'un petit sous-produit. Le sous-produit éliminé ici est une molécule d'eau (\(\text{H}_2\text{O}\)). Comme le phénol peut réagir en plusieurs positions (ortho et para), la continuation de cette réaction dans l'espace mène à la formation d'un réseau tridimensionnel.
Question 5 : Solubilité des polymères
Principe :
La solubilité d'un polymère dépend de la capacité des molécules de solvant à surmonter les forces inter-chaînes et à entourer les chaînes polymères individuelles.
Explication moléculaire :
- Polymère A (Thermoplastique) : Les chaînes de polystyrène sont longues mais indépendantes les unes des autres, maintenues ensemble uniquement par des liaisons faibles de type Van der Waals. Les molécules de toluène (un bon solvant pour le polystyrène) peuvent pénétrer entre ces chaînes, surmonter ces liaisons faibles et solvater (entourer) chaque chaîne individuellement. Le polymère se dissout.
- Polymère B (Thermodurcissable) : Les chaînes sont connectées les unes aux autres par des liaisons covalentes fortes (pontages), formant un seul et unique réseau tridimensionnel géant (une "super-molécule"). Les molécules de solvant ne peuvent pas briser ces liaisons covalentes fortes pour séparer les chaînes. Au mieux, elles peuvent faire gonfler légèrement le réseau, mais elles ne peuvent pas le dissoudre. Le matériau est donc insoluble.
Question 6 : Recyclabilité
Principe :
La recyclabilité par refusion dépend du comportement du polymère lorsqu'il est chauffé : peut-il être fondu et remoulé sans dégradation chimique ?
Analyse :
- Polymère A (Thermoplastique) : Oui, il est recyclable par refusion. Lorsqu'on le chauffe au-dessus de sa température de ramollissement/fusion, les liaisons faibles inter-chaînes sont rompues, ce qui le rend liquide et malléable. Il peut alors être remoulé dans une nouvelle forme. En refroidissant, les liaisons faibles se reforment et il redevient solide. Ce cycle peut être répété plusieurs fois (bien qu'il y ait une certaine dégradation à chaque cycle).
- Polymère B (Thermodurcissable) : Non, il n'est pas recyclable par refusion. Son réseau tridimensionnel est maintenu par des liaisons covalentes fortes. Chauffer ce matériau ne rompt pas ces liaisons pour le faire fondre. Si la température est suffisamment élevée, l'énergie fournie finira par briser les liaisons covalentes de manière irréversible, provoquant la dégradation (carbonisation) du polymère. Il ne peut donc pas être fondu et remoulé.
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
8. Un polymère qui ramollit de manière réversible lorsqu'il est chauffé est un :
9. La polymérisation par condensation se caractérise par :
10. La structure tridimensionnelle fortement réticulée des polymères thermodurcissables leur confère :
Glossaire
- Polymère
- Macromolécule constituée d'une ou plusieurs unités structurales (monomères) qui se répètent.
- Monomère
- Molécule de faible masse molaire qui, en se liant à d'autres molécules identiques, forme un polymère.
- Thermoplastique
- Polymère constitué de chaînes linéaires ou ramifiées, qui se ramollit à la chaleur de manière réversible et peut être remoulé.
- Thermodurcissable
- Polymère dont les chaînes sont liées par des liaisons covalentes pour former un réseau tridimensionnel rigide. Il ne fond pas à la chaleur et se dégrade de manière irréversible.
- Polymérisation par addition
- Réaction de formation d'un polymère où des monomères s'additionnent les uns aux autres sans perte d'atomes. La formule du motif de répétition est identique à celle du monomère.
- Polycondensation
- Réaction de formation d'un polymère où les monomères se lient avec l'élimination d'une petite molécule (comme l'eau ou le méthanol).
- Degré de Polymérisation (\(\overline{DP_n}\))
- Nombre moyen d'unités monomères constituant une chaîne polymère.
- Réticulation
- Processus de formation de liaisons covalentes (pontages) entre les chaînes polymères, créant un réseau tridimensionnel. C'est ce qui caractérise les thermodurcissables.
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