Chimie · 2ème ScThème 3 : Chimie organique · Chapitre 3

Polymères synthétiques et polymères naturels

Objectifs

À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• définir un monomère, un polymère, un motif et le degré de polymérisation ;
• écrire l'équation de la polymérisation de l'éthène et donner la formule générale du polyéthène ;
• trouver le motif d'un polymère à partir de son monomère, et inversement ;
• calculer un degré de polymérisation ou une masse molaire de polymère ;
• citer des polymères synthétiques et des polymères naturels (amidon, glycogène).
Prérequis : réactions d'addition sur les éthènes ; masse molaire ; formules semi-développées.

Situation de départ

La chaise de jardin, le seau, la bouteille de lait, le sac de courses : tous ces objets sont faits de polymères synthétiques. Le pain que vous mangez au petit déjeuner contient lui aussi un polymère, mais naturel : l'amidon.
Qu'ont-ils en commun ? Comment une petite molécule gazeuse comme l'éthène peut-elle devenir un sac solide ?

I. La polymérisation, une addition particulière

Dans certaines conditions, des molécules insaturées identiques s'additionnent les unes sur les autres et forment une molécule géante, une macromolécule, de masse molaire très élevée. La petite molécule de départ est le monomère ; le produit est un polymère ; la réaction est une polymérisation par addition, ou polyaddition. Elle a lieu en général sous pression, à température convenable, en présence d'un catalyseur.

À retenir

• Le monomère est la molécule de départ (elle possède une double liaison C=C).
• Le polymère est la macromolécule obtenue ; elle est formée par la répétition d'un motif.
• Le nombre moyen n de motifs dans une macromolécule est le degré (ou indice) de polymérisation. Le motif ayant la même composition que le monomère :

M(polymère) = n × M(monomère)

II. Le polyéthène

1. La réaction de polymérisation de l'éthène

Sous une pression et une température convenables et en présence d'un catalyseur, la double liaison de chaque molécule d'éthène s'ouvre et forme deux liaisons simples avec les molécules voisines :

n CH₂=CH₂ -(CH₂-CH₂)_n-

La chaîne obtenue est saturée : il n'y a plus de double liaison. Le motif -CH₂-CH₂- contient les mêmes atomes que le monomère, mais ses liaisons ont changé.

Animation

Fig. 1 : les doubles liaisons des molécules d'éthène s'ouvrent ; la chaîne de polyéthène répète le motif encadré.

Ne pas confondre

Le monomère CH₂=CH₂ est une molécule qui existe seule (un gaz) ; le motif -CH₂-CH₂- n'existe pas seul : c'est un morceau de chaîne, sans double liaison, lié à ses voisins par ses deux extrémités. Le motif n'est donc pas le monomère, même s'il a la même formule brute.

Exemple

Un polyéthène a une masse molaire moyenne M = 84 000 g.mol^-1. M(C₂H₄) = 2 × 12 + 4 × 1 = 28 g.mol^-1, donc :

n = ^M_M(C₂H₄) = ^{84 000}₂₈ = 3 000

Chaque macromolécule contient en moyenne 3 000 motifs, soit 6 000 atomes de carbone.

2. Propriétés et usages

Le polyéthène (PE) est la matière plastique la plus produite au monde. Peu coûteux, facile à mouler, bon isolant électrique, souple même au froid et résistant aux produits chimiques, il sert à fabriquer des sacs, des films d'emballage, des bouteilles, des jouets, des tuyaux, des flacons de laboratoire et les gaines des câbles électriques. Selon le procédé de fabrication, on obtient du polyéthène basse densité (souple : sacs, films) ou haute densité (rigide : bouteilles de lait, casiers, pièces techniques).

III. D'autres polymères de synthèse

Beaucoup de monomères sont des dérivés de l'éthène CH₂=CH-X, où X remplace un atome d'hydrogène. Leur polymérisation se fait de la même manière : la double liaison s'ouvre et le groupe X se retrouve porté par un carbone sur deux de la chaîne.

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