Les plastiques sont de plus en plus utilisés dans la vie quotidienne, qu'il s'agisse d'emballages alimentaires, de housses de téléphone portable ou encore de film alimentaire de cuisine. Dans ta vie quotidienne, tu rencontres souvent du plastique sous différentes formes.
Des sacs en plastique aux protéines en passant par les vêtements et la cellulose, notre monde est rempli de polymères. Ils sont formés par des réactions connues sous le nom de réactions de polymérisation.
C'est là qu'intervient le résumé de cours d'aujourd'hui. Nous allons essayer d'étudier la manière dont un type de réaction chimique appelé polymérisation se produit avec différents types de molécules organiques.
- Ce résumé de cours porte sur les réactions de polymérisation en chimie organique.
- Nous définirons le terme " polymère " avant d'examiner de plus près les différents types de réactions de polymérisation.
- Ensuite, nous explorerons la polymérisation en chaîne.
- Nous verrons la polymérisation radicalaire et la polymérisation par condensation.
- Nous examinerons notamment un tableau comparant la polymérisation par addition avec la polymérisation par condensation.
- Enfin, nous présenterons la polymérisation naturelle.
Polymérisation : Cours
Les protéines, l'ADN et les matières plastiques telles que le chlorure de polyvinyle (PVC) et le polystyrène sont des exemples de polymères. Nous nous concentrerons ici sur ces plastiques, y compris les polyamides, les polyesters et les polymères fabriqués à partir d'alcènes, et sur les réactions qui les forment. Ces réactions sont collectivement connues sous le nom de réactions de polymérisation.
Qu'est-ce que la polymérisation ?
Un polymère est une grande molécule composée d'unités répétitives appelées monomères.
La polymérisation est un processus qui consiste à combiner chimiquement des molécules relativement petites appelées monomères pour produire des polymères.
Polymérisation : Types
Les polymères sont formés dans deux types de réactions différentes. Elles dépendent des groupes fonctionnels du ou des monomères utilisés :
- Les polymères d'addition sont fabriqués à partir de monomères comportant une double liaison \( C=C \) . Ces monomères sont à base d'éthène et il n'y a pas de sous-produit.
- Les polymères de condensation sont fabriqués à partir de monomères possédant deux groupes fonctionnels différents. Une petite molécule est libérée lors de la réaction, généralement de l'eau.
Examinons ces types de plus près.
Polymérisation en chaîne
La polymérisation en chaîne nommée aussi polymérisation par addition est la réunion de monomères avec la double liaison \( C=C \) pour former une grande molécule connue sous le nom de polymère. Ce processus ne produit pas d'autres sous-produits.
Les alcènes peuvent subir une polymérisation par addition pour former des polymères à longue chaîne d'hydrocarbures appelés polyalcènes. Les monomères utilisés peuvent tous être le même alcène, ou de plusieurs types différents. La double liaison \( C=C \) de chaque monomère s'ouvre et se lie au monomère adjacent pour former un squelette \(C-C \) . Le processus est illustré ci-dessous par l'exemple d'un polyalcène.
Ceci est illustré ci-dessous par l'exemple de l'éthène :
Fig.1- Polymérisation par addition de l'éthène
Réaction de polymérisation
La polymérisation par addition peut être représentée par l'équation suivante. Nous utilisons \( -R \) pour représenter tout groupe alkyle ou aryle variable. La lettre \( "n" \) représente le nombre de monomères alcènes utilisés, qui tend à être très élevé :
Fig.2- L'éthène se polymérise pour former du poly(éthène), également connu sous le nom de polythène.
Ceci est appelé une équation de polymérisation.
Nommer
Les polymères d'addition sont nommés en utilisant le préfixe poly- et le nom de leur monomère alcène, entre parenthèses. Par exemple, le chloroéthène se polymérise pour former du poly(chloroéthène). Cependant, beaucoup de ces polymères ont des noms commerciaux différents, et le poly(chloroéthène) est également connu sous le nom de chlorure de polyvinyle, ou PVC.
Du polymère au monomère (partie 1)
Lorsqu'on te demande de trouver l'unité répétitive d'un polymère d'addition donné, il faut se rappeler que chaque monomère est basé sur une double liaison \( C=C \) . Par conséquent, chaque paire d'atomes de carbone dans un polymère d'addition est une unité répétitive. Par conséquent, chaque paire de carbones dans le squelette \( C-C \) du polymère appartiendra à un monomère différent. On peut également travailler sur les monomères en identifiant le motif répétitif du polymère, comme dans l'exemple ci-dessous :
Fig.3- Du polymère au monomère.
Le tableau ci-dessous montre quelques exemples de monomères et de leurs polymères.
Fig.4- Un tableau montrant différents monomères et leurs polymères.
Polymérisation radicalaire
La polymérisation radicalaire est un type de polymérisation par addition dans laquelle un radical libre rejoint des monomères non radicaux dans une chaîne, formant un polymère.
Un radical libre est une espèce avec un électron non apparié de la couche externe. Les non-radicaux sont donc des espèces sans électron non apparié de la couche externe.
Le radical est initié par un chauffage ou un rayonnement. Cela détruit une liaison de manière homolytique, ce qui signifie qu'un électron essaie de se rendre dans chacune des deux nouvelles molécules, créant ainsi deux radicaux libres. Le radical s'ajoute ensuite à un monomère, formant un radical plus grand.
Ceci est illustré par l'équation ci-dessous, où \( R \) est un radical libre et \( M \) est un monomère :
$$ R \dot + M \rightarrow M \dot R $$
Le radical plus grand s'ajoute ensuite à un autre monomère :
$$M \dot R + M \rightarrow M_2 \dot R $$
Le processus se poursuit jusqu'à la terminaison. La terminaison implique que deux radicaux réagissent ensemble pour former un composé stable :
$$ \dot M_x + \dot M_y \rightarrow M_{x + y} $$
La polymérisation radicalaire peut être représentée par l'équation générale suivante :
$$ M_x \dot R + M \rightarrow M_{x + 1} \dot R $$
Polymérisation par condensation
La polymérisation par condensation est un type de réaction de condensation dans laquelle les monomères s'unissent pour former un grand polymère, libérant une petite molécule au cours du processus. Cette petite molécule est souvent appelée le condensat.
Les polymères de condensation sont basés sur deux groupes fonctionnels différents. Ils peuvent provenir de deux monomères uniques, ou d'un monomère contenant deux groupes fonctionnels différents. Pour que les monomères forment une chaîne continue, il doit y avoir deux groupes fonctionnels sur chaque monomère.
Voici quelques exemples de polymères de condensation :
- Les polyamides ;
- Polyesters.
Polyamides
Les polyamides sont formés par la réaction entre une amine et un acide carboxylique. Comme chaque monomère doit avoir deux groupes fonctionnels pour former un polymère, les monomères sont souvent des diaminoalcanes et des acides dicarboxyliques.
Fig.5- Un acide dicarboxyliques, à gauche, et une diamine, à droite.
Le condensat libéré est de l'eau, ce qui fait que le groupe fonctionnel amide \(-NCO- \) est répété dans toute la molécule. Cela peut être représenté par l'équation suivante, dans laquelle les molécules perdues sont indiquées en rouge.
Fig.6- Une réaction de condensation entre une diamine et un acide dicarboxyliques forme un polyamide.
Par exemple, le Nylon-6,6 est fabriqué à partir de 1,6-diaminohexane et d'acide hexane-1,6-dicarboxylique :
Fig.7- Nylon 6,6
Polyesters
Les polyesters sont formés à partir d'alcools et d'acides carboxyliques. Les monomères sont souvent des diols et des acides dicarboxyliques.
Fig.8- Un diol, à gauche, et un acide dicarboxylique, à droite.
Encore une fois, le condensat est de l'eau, ce qui donne le groupe fonctionnel ester \( -COO- \) répété dans toute la molécule. L'équation générale est présentée ci-dessous :
Fig.9- Synthèse des polyesters
Pour plus d'informations sur les alcools, les amines ou les acides carboxyliques, voir respectivement Alcools, Amines et Acides et esters carboxyliques.
Du polymère au monomère (partie 2)
Pour identifier les monomères utilisés à partir d'une chaîne de polymère, il peut être utile de localiser le groupe fonctionnel répétitif \( -COO- \) ou \( -NCO- \) . Tu peux ensuite diviser la molécule en ses unités répétitives. Par exemple, ce polymère est constitué de 1,2-éthanediol et d'acide butane-1,4-dioïque :
Fig.10- Du polymère au monomère. Peux-tu repérer le groupe répétitif \( -COO- \) ?
Parfois, un seul monomère est nécessaire pour une réaction de condensation. Cela se produit si la molécule contient deux groupes fonctionnels appropriés différents. Par exemple, l'acide 2-hydroxyéthanoïque peut former un polymère avec l'unité répétée suivante :
Fig.11- Comme cette espèce contient à la fois les groupes fonctionnels \( -OH \) et \( -COOH \) , elle n'a pas besoin d'un autre type de molécule pour former un polymère.
Degré de polymérisation
Le degré de polymérisation est le nombre moyen d'unités répétées par chaîne dans un échantillon. Il définit la longueur d'une chaîne polymère.
On peut calculer le degré de polymérisation ou \( DP \) en prenant le poids moléculaire moyen en nombre en le divisant par le poids moléculaire moyen de l'unité répétée.
$$ DP = \frac { \bar M_n }{ \bar m} $$
La raison pour laquelle nous avons la barre ici et disons moyen est que si nous avons affaire au copolymère, l'unité répétée n'aura pas le même poids moléculaire qu'une autre unité répétée.
Si c'est un homopolymère, il n'y a qu'un seul poids moléculaire pour l'unité répétée, il suffit de le remplacer, mais si c'est un copolymère qui en a plus d'un, il faut faire la moyenne des poids moléculaires et on peut le faire en regardant le poids moléculaire de l'unité répétée, puis la fraction de la chaîne et enfin faire la somme.
Et donc encore une fois, on regarde combien de ces unités répétées, donc si on compte sur celle-ci on voit qu'il y en a une, deux, trois…
Pour celui-ci, il s'agit de polyéthylène, comme tu t'en souviens peut-être, donc on a du carbone, du carbone, de l'hydrogène, de l'hydrogène, et donc la polymérisation dérivée, ou DP, comme indiqué ici, c'est le nombre de ces unités répétées dans une chaîne donnée.
Le degré de polymérisation est donc de \( 6 \) sur cette chaîne et si c'est la chaîne moyenne, le nombre sera de \( 6 \) .
Polymérisation par addition et par condensation : Tableau
Le tableau suivant montre les similitudes et les différences entre la polymérisation par addition et la polymérisation par condensation.
Fig.12- Un tableau comparant la polymérisation par addition et la polymérisation par condensation.
Si tu souhaites approfondir tes connaissances sur les polymères, consulte le résumé du même nom (Polymères) pour en savoir plus.
Polymérisation naturelle
Jusqu'à présent, tu n'as vu que la forme synthétique de la polymérisation.
Cependant, il existe également une forme naturelle de polymérisation :
Les organismes utilisent la réaction de polymérisation entre autres pour synthétiser l'ADN et les protéines. Les réactions qui se déroulent ici sont toutefois beaucoup plus compliquées que les réactions synthétiques décrites précédemment.
La grande complexité de ces réactions détermine également l'aspect du polymère final. En ce qui concerne l'ADN, cela montre l'importance de ce type de réaction. Comme la polymérisation naturelle se déroule avec une telle précision, presque comme si elle était parfaitement planifiée, les chercheurs tentent de reproduire techniquement ces processus à des fins commerciales.
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