Polymérisation : addition et condensation

Contexte : La Construction des Géants Moléculaires

Les polymères sont des macromolécules constituées de la répétition de petites unités structurales, les monomèresMolécule de faible masse molaire qui peut réagir pour former une longue chaîne polymère.. Ils sont omniprésents dans notre quotidien, des plastiques aux textiles en passant par les protéines de notre corps. La polymérisation est le processus de liaison de ces monomères pour former de longues chaînes. Il existe deux grandes voies pour y parvenir :
• La polymérisation par addition (ou en chaîne), où les monomères s'additionnent les uns aux autres sans perte d'atomes. La formule brute du motif de répétition est identique à celle du monomère.
• La polymérisation par condensation (ou par étapes), où la liaison entre deux monomères s'accompagne de l'élimination d'une petite molécule (souvent de l'eau). Cet exercice explore ces deux mécanismes fondamentaux.

Remarque Pédagogique : La distinction entre ces deux types de polymérisation est cruciale. Elle n'influence pas seulement la structure du polymère, mais aussi sa stœchiométrie, sa cinétique de formation et ses propriétés finales. Comprendre ces différences est la première étape pour maîtriser la chimie des polymères.

Objectifs Pédagogiques

Différencier la polymérisation par addition et par condensation.
Identifier le motif de répétition d'un polymère.
Écrire l'équation d'une réaction de polymérisation.
Calculer un degré de polymérisation à partir des masses molaires.
Appliquer les calculs stœchiométriques à une réaction de polycondensation.

Données de l'étude

On étudie deux réactions de polymérisation :

Polymérisation par addition : On polymérise du styrène (\(\text{C}_8\text{H}_8\)) pour former du polystyrène. On obtient un échantillon de polystyrène dont la masse molaire moyenne est de \(156 \, 000 \, \text{g/mol}\).
Polymérisation par condensation : On fait réagir \(5,80 \, \text{g}\) d'hexane-1,6-diamine avec \(7,30 \, \text{g}\) de chlorure d'adipoÿle pour synthétiser du Nylon 6,6.

Schémas Réactionnels

\text{n (Styrène)} \longrightarrow \text{-(Styrène)-}_n \] \[ \text{n (Diamine)} + \text{n (Dichlorure d'acide)} \longrightarrow \text{-(Nylon 6,6)-}_n + 2\text{n HCl}

Données :

Masses molaires atomiques (en \(\text{g/mol}\)) : C : 12.0, H : 1.0, O : 16.0, N : 14.0

Questions à traiter

Dessiner la structure du motif de répétition du polystyrène.
Calculer le degré de polymérisation moyen (n) de l'échantillon de polystyrène.
Écrire l'équation de la réaction de formation du Nylon 6,6 et dessiner son motif de répétition.
Déterminer le réactif limitant et calculer la masse théorique de Nylon 6,6 formé.

Correction : Polymérisation : addition et condensation

Question 1 : Motif de répétition du Polystyrène

Principe :

Dans une polymérisation par addition, la double liaison C=C du monomère (styrène) s'ouvre pour former de nouvelles liaisons simples C-C, créant ainsi la longue chaîne polymère. La structure du motif de répétition est donc celle du monomère où la double liaison est devenue une simple liaison, avec des liaisons de part et d'autre pour indiquer la continuation de la chaîne.

Question 2 : Degré de polymérisation du Polystyrène

Principe :

Le degré de polymérisation (n) représente le nombre moyen de motifs de répétition dans une chaîne de polymère. Il se calcule en divisant la masse molaire moyenne du polymère par la masse molaire du monomère (ou du motif de répétition, qui est identique dans une polymérisation par addition).

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Le degré de polymérisation est une valeur moyenne. Un échantillon de polymère contient des chaînes de longueurs très variées. "n" représente donc la moyenne de toutes ces longueurs, pondérée par leur abondance.

Formule(s) utilisée(s) :

\text{DP} = n = \frac{M_{\text{polymère}}}{M_{\text{monomère}}}

Donnée(s) :

Formule brute du styrène (monomère) : C₈H₈
Masse molaire moyenne du polystyrène : \(156 \, 000 \, \text{g/mol}\)
Masses molaires atomiques (\(\text{g/mol}\)) : C=12.0, H=1.0

Calcul(s) :

\begin{aligned} M(\text{styrène}) &= (8 \times 12.0) + (8 \times 1.0) \\ &= 104.0 \, \text{g/mol} \end{aligned}

\begin{aligned} n &= \frac{156000 \, \text{g/mol}}{104.0 \, \text{g/mol}} \\ &= 1500 \end{aligned}

Points de vigilance :

Addition vs Condensation : Cette formule simple n'est valable que pour la polymérisation par addition. Pour une condensation, il faudrait utiliser la masse molaire du motif de répétition, qui est inférieure à la somme des masses des monomères.

Le saviez-vous ?

Résultat : Le degré de polymérisation moyen est de 1500.

Question 3 : Équation de formation du Nylon 6,6

Principe :

Il s'agit d'une polycondensation entre une diamine et un dichlorure de diacide. Le doublet non liant de l'azote de l'amine attaque le carbone électrophile du carbonyle du chlorure d'acide. Une liaison amide est formée avec l'élimination d'une molécule de HCl. Comme chaque monomère possède deux fonctions réactives, le processus peut se répéter pour former une longue chaîne de polyamide.

Équation et Structure :

\text{n H}_2\text{N(CH}_2)_6\text{NH}_2 + \text{n ClOC(CH}_2)_4\text{COCl} \longrightarrow -[\text{HN(CH}_2)_6\text{NHOC(CH}_2)_4\text{CO}]_n- + 2\text{n HCl}

Question 4 : Réactif limitant et masse théorique de Nylon 6,6

Principe :

On compare les quantités de matière (moles) de chaque monomère. La stœchiométrie étant de 1:1, celui qui est en plus petite quantité est le réactif limitant. La quantité de matière de motif de répétition formé est égale à celle du réactif limitant.

Remarque Pédagogique :

Point Clé : Dans une polycondensation, un contrôle stœchiométrique parfait (un ratio 1:1 exact entre les monomères) est crucial pour obtenir de longues chaînes et donc un polymère avec de bonnes propriétés mécaniques. Le réactif en excès agira comme un "bouchon" qui arrêtera la croissance des chaînes.

Formule(s) utilisée(s) :

n = \frac{m}{M} \quad \text{et} \quad m = n \times M

Donnée(s) :

Masse d'hexane-1,6-diamine (\(\text{C}_6\text{H}_{16}\text{N}_2\)) : \(5,80 \, \text{g}\)
Masse de chlorure d'adipoÿle (\(\text{C}_6\text{H}_8\text{Cl}_2\text{O}_2\)) : \(7,30 \, \text{g}\)
Masses molaires atomiques (\(\text{g/mol}\)) : C=12.0, H=1.0, N=14.0, O=16.0, Cl=35.5

Calcul(s) :

M(\text{diamine}) = (6 \times 12.0) + (16 \times 1.0) + (2 \times 14.0) = 116.0 \, \text{g/mol}

M(\text{dichlorure}) = (6 \times 12.0) + (8 \times 1.0) + (2 \times 35.5) + (2 \times 16.0) = 183.0 \, \text{g/mol}

\begin{aligned} n_{\text{diamine}} &= \frac{5.80 \, \text{g}}{116.0 \, \text{g/mol}} \\ &= 0.050 \, \text{mol} \end{aligned}

\begin{aligned} n_{\text{dichlorure}} &= \frac{7.30 \, \text{g}}{183.0 \, \text{g/mol}} \\ &\approx 0.0399 \, \text{mol} \end{aligned}

Comparaison : \(0.0399 \, \text{mol}\) (dichlorure) < \(0.050 \, \text{mol}\) (diamine). Le chlorure d'adipoÿle est donc le réactif limitant.

La quantité de motif de répétition formé est \(n_{\text{motif}} = n_{\text{limitant}} = 0.0399 \, \text{mol}\).

M(\text{motif Nylon 6,6}) = M(\text{diamine}) + M(\text{dichlorure}) - 2 \times M(\text{HCl}) = 116.0 + 183.0 - 2 \times 36.5 = 226.0 \, \text{g/mol}

\begin{aligned} m_{\text{théorique}} &= n_{\text{motif}} \times M_{\text{motif}} \\ &= 0.0399 \, \text{mol} \times 226.0 \, \text{g/mol} \\ &\approx 9.02 \, \text{g} \end{aligned}

Résultat : Le réactif limitant est le chlorure d'adipoÿle. La masse théorique de Nylon 6,6 est de 9.02 g.

Simulation de la Polycondensation

Faites varier les masses des deux monomères et observez l'impact sur le réactif limitant et la masse de Nylon 6,6 formé.

Paramètres de la Synthèse

Masse de Diamine (5.80 g)

Masse de Dichlorure d'acide (7.30 g)

Réactif Limitant

Masse Théorique de Nylon

Quantités de matière (mol)

Pour Aller Plus Loin : Les Copolymères

Mélanger les briques : Il est possible de polymériser un mélange de différents monomères pour créer un copolymère. Par exemple, en polymérisation par addition, un mélange de styrène et de butadiène donne le caoutchouc SBR, utilisé dans les pneus de voiture. L'agencement des différents monomères dans la chaîne (alterné, statistique, à blocs, greffé) permet de moduler les propriétés du matériau final de manière très précise.

Le Saviez-Vous ?

Le Kevlar®, connu pour son utilisation dans les gilets pare-balles, est un polyamide aromatique (un aramide) obtenu par polycondensation. Sa résistance exceptionnelle provient des très nombreuses liaisons hydrogène qui se forment entre les chaînes polymères, créant une structure quasi-cristalline extrêmement rigide.

Foire Aux Questions (FAQ)

Pourquoi la formule brute du polymère est-elle différente de celle du monomère en condensation ?

Parce que chaque fois que deux monomères se lient, une petite molécule (comme H₂O ou HCl) est éliminée. La formule brute du motif de répétition est donc la somme des formules brutes des monomères MOINS la formule brute de la petite molécule éliminée.

Qu'est-ce qui arrête une polymérisation ?

Dans une polymérisation par addition, la chaîne s'arrête lorsqu'elle rencontre un autre radical (terminaison) ou une impureté. Dans une polycondensation, la réaction s'arrête simplement lorsque l'un des réactifs est épuisé. La longueur des chaînes dépend fortement de la pureté des réactifs et de la précision de la stœchiométrie.

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Laquelle de ces affirmations est vraie pour une polymérisation par addition ?

La formule brute du monomère est identique à celle du motif de répétition.
Une petite molécule est éliminée à chaque étape.
Elle nécessite toujours deux monomères différents.

2. Le Nylon est un exemple de :

Polyéther.
Polyester.
Polyamide.

Glossaire

Polymère: Macromolécule de masse molaire élevée, constituée d'une répétition de nombreuses petites unités appelées monomères.
Polymérisation par Addition: Réaction en chaîne où des monomères (généralement avec une double liaison) s'additionnent les uns aux autres sans perte d'atomes.
Polymérisation par Condensation: Réaction par étapes où des monomères (avec au moins deux groupes fonctionnels) se lient avec élimination d'une petite molécule (ex: H₂O, HCl).
Degré de Polymérisation (DP): Nombre moyen de motifs de répétition (monomères) dans une chaîne de polymère.

Polymérisation : addition et condensation

Objectifs Pédagogiques

Données de l'étude

Schémas Réactionnels

Questions à traiter

Correction : Polymérisation : addition et condensation

Question 1 : Motif de répétition du Polystyrène

Principe :

Question 2 : Degré de polymérisation du Polystyrène

Principe :

Remarque Pédagogique :

Formule(s) utilisée(s) :

Donnée(s) :

Calcul(s) :

Points de vigilance :

Le saviez-vous ?

FAQ en rapport avec la question :

Question 3 : Équation de formation du Nylon 6,6

Principe :

Équation et Structure :

Question 4 : Réactif limitant et masse théorique de Nylon 6,6

Principe :

Remarque Pédagogique :

Formule(s) utilisée(s) :

Donnée(s) :

Calcul(s) :

Simulation de la Polycondensation

Paramètres de la Synthèse

Quantités de matière (mol)

Pour Aller Plus Loin : Les Copolymères

Le Saviez-Vous ?

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