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Polymères et macromolécules

Comprendre la formation et les usages des matériaux polymères.

Chimie Terminale Chapitre 11 / 11 ⏱ 7 h

Ce que tu sauras faire à la fin

  • Écrire une réaction de polymérisation
  • Identifier le motif d'un polymère
  • Discuter l'impact environnemental des plastiques

Regarde autour de toi : la bouteille d'eau sur ton bureau, le sac qui a transporté ton pain, le pneu de la moto, le fil de pêche, le pull en polaire, le boîtier de ta calculatrice — tous ces objets si différents partagent le même secret de fabrication. Ce sont des polymères : des molécules géantes, bâties par la répétition head-to-tail d'un motif minuscule, des milliers de fois de suite. Un chimiste dirait qu'ils sont passés de l'échelle moléculaire à l'échelle macromoléculaire.

Tu connais déjà la liaison ester (chapitre sur les acides carboxyliques) et tu sais écrire une addition sur une double liaison C=C. Ce chapitre ne t'apprend presque aucune réaction nouvelle : il t'apprend à répéter une réaction connue un très grand nombre de fois, et à observer ce qui change quand on le fait. Une seule liaison amide ne fait pas un tissu ; deux cent mille liaisons amide enchaînées font un fil de nylon capable de soutenir ton poids.

C'est aussi l'un des chapitres les plus concrets du programme : au bac, on te donnera une masse molaire de polymère pour en déduire un degré de polymérisation, on te fera écrire l'équation qui transforme un monomère en plastique, et on te demandera de discuter, chiffres à l'appui, de l'interdiction des sachets plastiques au Sénégal ou au Tchad.

Le plan est simple et progressif : d'abord le vocabulaire (motif, monomère, degré de polymérisation), puis les deux grandes familles de réactions (polyaddition, polycondensation), puis les polymères usuels et leurs propriétés, et enfin les enjeux de recyclage, de pollution et les biopolymères qui dessinent l'avenir du secteur.

1Monomère, motif, polymère

Avant d'écrire la moindre équation, il faut fixer un vocabulaire précis : c'est lui qui te fera gagner des points au bac, où la confusion entre « monomère » et « motif » est l'erreur la plus fréquente.

Définition — Macromolécule, polymère

Une macromolécule est une molécule de très grande taille (masse molaire souvent supérieure à 10 000 g⋅mol−110\,000\ \text{g·mol}^{-1}), formée par l'enchaînement covalent d'un grand nombre d'unités simples. Un polymère est une substance constituée de macromolécules toutes bâties sur le même schéma répétitif.

Définition — Monomère et motif

Le monomère est la petite molécule de départ, celle que l'on fait réagir. Le motif (ou unité de répétition) est le groupe d'atomes qui se répète effectivement dans la chaîne du polymère ; on l'écrit entre crochets, affecté d'un indice nn appelé degré de polymérisation :

polymeˋre=(motif)n\text{polymère} = \left(\text{motif}\right)_n

Retiens déjà ceci, tu le retrouveras à la section 2 : selon le type de réaction, le motif est identique au monomère (polyaddition) ou plus petit que lui, car des atomes sont éliminés au passage (polycondensation).

Motif et chaîne macromoléculaire du polyéthylène (PE) HH HH éthylène : C₂H₄ (monomère) polymérisation (n molécules) ⋯ n motif
Figure 1 — À gauche, le monomère éthylène CH2=CH2\text{CH}_2\text{=CH}_2 ; à droite, le motif −(CH2–CH2)−-\left(\text{CH}_2\text{–CH}_2\right)- répété nn fois (violet) forme la longue chaîne carbonée du polyéthylène (nn de l'ordre de 10310^{3} à 10510^{5}).
Chimie & Co — La bakélite, premier plastique 100 % synthétique

En 1907, le chimiste belgo-américain Leo Baekeland fait réagir du phénol et du formaldéhyde et obtient une résine dure, infusible une fois formée, qu'il baptise bakélite. C'est le premier polymère entièrement synthétique de l'histoire — avant lui, on ne savait que transformer des polymères déjà naturels (caoutchouc, cellulose). Isolante et moulable, elle envahit vite postes de radio et appareils électriques, ouvrant l'ère industrielle du plastique.

1.1  Polymères naturels et synthétiques

La nature fabrique des macromolécules depuis toujours : ton propre corps en est plein. On distingue les polymères selon leur origine.

Polymères naturelsPolymères synthétiques
Cellulose (paroi des végétaux, motif glucose)Polyéthylène (PE), sacs et flacons
Amidon (réserve énergétique des plantes, motif glucose)Polychlorure de vinyle (PVC), tuyaux
Caoutchouc naturel (polyisoprène, latex d'hévéa)Polyéthylène téréphtalate (PET), bouteilles
Protéines (polyamides naturels, motif acide aminé)Nylon 6-6, textiles et cordages
ADN (polynucléotide, information génétique)Polystyrène (PS), emballages
Exemple — motif du PVC

Le chlorure de vinyle a pour formule semi-développée CH2=CHCl\text{CH}_2\text{=CHCl}. Détermine le motif du poly(chlorure de vinyle).

  1. la polymérisation ouvre la double liaison C=Cchaque carbone forme une nouvelle liaison avec le motif voisin
  2. ⇒le motif conserve tous les atomes du monomère
  3. ⇒motif =−(CH2–CHCl)−= -\left(\text{CH}_2\text{–CHCl}\right)-
Attention

Ne confonds jamais monomère (la petite molécule de départ, isolée) et motif (le groupe qui se répète dans la chaîne). Pour une polyaddition les deux ont la même formule brute ; pour une polycondensation, tu le verras à la section 2, le motif est plus léger que la somme des monomères qui lui ont donné naissance.

Exemple — motif du polystyrène

Le styrène a pour formule C6H5–CH=CH2\text{C}_6\text{H}_5\text{–CH=CH}_2 (un noyau benzénique porté par un groupe vinyle). Détermine le motif du polystyrène.

  1. la double liaison C=C du groupe vinyle s'ouvre, le noyau benzénique n'est pas modifié
  2. ⇒motif =−(CH2–CH(C6H5))−= -\left(\text{CH}_2\text{–CH(C}_6\text{H}_5\text{)}\right)-le noyau benzénique devient un substituant latéral

2Polyaddition et polycondensation

Il existe deux grandes familles de réactions de polymérisation, et le bac attend que tu les distingues à coup sûr : la polyaddition, qui n'élimine rien, et la polycondensation, qui élimine une petite molécule à chaque nouvelle liaison créée.

2.1  Polyaddition

Définition — Polyaddition

La polyaddition (ou polymérisation en chaîne) est l'addition successive de monomères porteurs d'une double liaison C=C, sans élimination d'aucun atome. Le motif a exactement la même formule brute que le monomère :

n CH2=CHX⟶(–CH2–CHX–)nn\ \text{CH}_2\text{=CHX} \longrightarrow \left(\text{–CH}_2\text{–CHX–}\right)_n

Le mécanisme le plus courant est radicalaire : une espèce très réactive, le radical libre (noté R∙\text{R}^{\bullet}, un atome porteur d'un électron célibataire), ouvre la double liaison de proche en proche. Trois étapes se succèdent toujours.

Polymérisation radicalaire de l'éthylène — mécanisme en trois étapes Étape 1 — Amorçage In–In ⟶ 2 In• In• + CH₂=CH₂ ⟶ In–CH₂–CH₂• Étape 2 — Propagation In–CH₂–CH₂• + CH₂=CH₂ ⟶ In–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂• (l'addition se répète : la chaîne s'allonge d'un motif à chaque étape) Étape 3 — Terminaison R–CH₂–CH₂• + •CH₂–CH₂–R' ⟶ R–(CH₂–CH₂)–CH₂–CH₂–R' deux radicaux se combinent : la chaîne cesse définitivement de croître
Figure 2 — Le mécanisme radicalaire de la polyaddition : un amorceur In–In (souvent un peroxyde) casse sous l'effet de la chaleur en deux radicaux In•, qui déclenchent une propagation en chaîne jusqu'à la terminaison par rencontre de deux radicaux.
Méthode — écrire une équation de polyaddition

1) Repère la double liaison C=C et le ou les substituants X portés par un carbone. 2) Le motif s'obtient en « cassant » cette double liaison en deux liaisons simples, vers chaque motif voisin. 3) Place le motif entre parenthèses avec l'indice nn, et fais figurer le même nn devant le monomère.

MonomèreFormulePolymère obtenu
éthylèneCH2=CH2\text{CH}_2\text{=CH}_2polyéthylène (PE)
chlorure de vinyleCH2=CHCl\text{CH}_2\text{=CHCl}polychlorure de vinyle (PVC)
styrèneC6H5–CH=CH2\text{C}_6\text{H}_5\text{–CH=CH}_2polystyrène (PS)
propèneCH2=CH–CH3\text{CH}_2\text{=CH–CH}_3polypropylène (PP)
tétrafluoroéthylèneCF2=CF2\text{CF}_2\text{=CF}_2polytétrafluoroéthylène (PTFE, Téflon)
méthacrylate de méthyleCH2=C(CH3)–CO–O–CH3\text{CH}_2\text{=C(CH}_3\text{)–CO–O–CH}_3polyméthacrylate de méthyle (PMMA, Plexiglas)
acrylonitrileCH2=CH–C≡N\text{CH}_2\text{=CH–C}\equiv\text{N}polyacrylonitrile (PAN)
Exemple — équation du PTFE

Écris l'équation de polymérisation du tétrafluoroéthylène en Téflon.

  1. monomère : CF2=CF2\text{CF}_2\text{=CF}_2
  2. la double liaison s'ouvre, le motif garde les 2 C et 4 F
  3. ⇒n CF2=CF2⟶(–CF2–CF2–)nn\ \text{CF}_2\text{=CF}_2 \longrightarrow \left(\text{–CF}_2\text{–CF}_2\text{–}\right)_n
Attention

L'indice nn doit apparaître identique des deux côtés de la flèche : nn monomères entrent, un seul polymère de degré nn sort. Écrire CH2=CHX⟶(–CH2–CHX–)n\text{CH}_2\text{=CHX} \longrightarrow \left(\text{–CH}_2\text{–CHX–}\right)_n sans le nn devant le monomère est une erreur classique, sanctionnée au bac.

2.2  Polycondensation

Définition — Polycondensation

La polycondensation (ou polymérisation par étapes) est la réaction répétée de deux fonctions chimiques complémentaires portées par des monomères bifonctionnels, avec élimination d'une petite molécule (le plus souvent H2O\text{H}_2\text{O}, parfois HCl\text{HCl}) à chaque nouvelle liaison :

n HO–R–OH+n HOOC–R’–COOH⟶(–O–R–O–CO–R’–CO–)n+2n H2On\ \text{HO–R–OH} + n\ \text{HOOC–R'–COOH} \longrightarrow \left(\text{–O–R–O–CO–R'–CO–}\right)_n + 2n\ \text{H}_2\text{O}

Approximation : une chaîne de nn motifs compte en toute rigueur 2n−12n-1 liaisons (deux extrémités de chaîne). Comme nn est très grand, on néglige cet effet de bord et l'on retient 2n H2O2n\ \text{H}_2\text{O} — même approximation que Mpolymeˋre≈n×MmotifM_{\text{polymère}} \approx n \times M_{\text{motif}} (section 3).

Les polyamides naissent de la réaction d'un diacide sur une diamine, formant une liaison amide –CO–NH–\text{–CO–NH–}. Le représentant le plus célèbre est le nylon 6-6.

Synthèse du nylon 6-6 : la liaison amide H₂N–(CH₂)₆–NH₂hexaméthylènediamine + HOOC–(CH₂)₄–COOHacide adipique polycondensation(– 2n H₂O) ⋯–NH–(CH₂)₆– NH–CO– (CH₂)₄–CO–⋯ liaison amide motif de masse molaire 226 g·mol⁻¹, n de l'ordre de 100 à 200
Figure 3 — L'hexaméthylènediamine et l'acide adipique se condensent en éliminant de l'eau ; la liaison amide –NH–CO–\text{–NH–CO–} (encadrée en rouge) relie chaque motif au suivant dans la chaîne de nylon 6-6.
Chimie & Co — Wallace Carothers et l'invention du nylon

C'est le chimiste américain Wallace Carothers, chez DuPont, qui met au point le nylon 6-6 en 1935, après des années de recherche sur les polyesters puis les polyamides. Présentée en 1938 sous forme de bas pour femmes, la fibre connaît un succès immédiat, au point de provoquer des émeutes dans les magasins américains en 1940. Carothers ne connaîtra pas ce triomphe : rongé par la dépression, il se suicide en 1937.

Une expérience spectaculaire illustre cette réaction : la corde de nylon, formée directement à l'interface entre deux solutions.

Expérience de la corde de nylon fil de nylon interface phase organique(chlorure d'adipoyledans le cyclohexane) phase aqueuse(hexaméthylènediaminedans l'eau) bécher
Figure 4 — À l'interface entre la phase organique (chlorure d'adipoyle) et la phase aqueuse (hexaméthylènediamine), le nylon 6-6 se forme instantanément en un film que l'on peut saisir et enrouler sans fin : la polycondensation se poursuit tant que les deux réactifs diffusent vers l'interface.

Les polyesters s'obtiennent de façon symétrique, par réaction d'un diacide sur un dialcool, formant une liaison ester –CO–O–\text{–CO–O–}. Le PET (polyéthylène téréphtalate) des bouteilles en est l'exemple industriel majeur.

Synthèse du PET : la liaison ester HO–CH₂–CH₂–OHéthane-1,2-diol + HOOC– –COOHacide téréphtalique polycondensation(– 2n H₂O) ⋯–O–CH₂–CH₂– O–CO– –CO–⋯ liaison ester motif de masse molaire 192 g·mol⁻¹
Figure 5 — L'éthane-1,2-diol et l'acide téréphtalique (cycle benzénique) se condensent en éliminant de l'eau ; la liaison ester –O–CO–\text{–O–CO–} (encadrée en rouge) relie les motifs du PET.

Retiens aussi : les polycarbonates (vitrages incassables, CD), les polyuréthanes (mousses, colles ; isocyanate + diol, sans élimination d'eau), les résines phénoliques et aminoplastes comme la bakélite (phénol ou urée + formaldéhyde, fortement réticulées), et les silicones (chaîne –Si–O–\text{–Si–O–}, stables en température, joints et cosmétique).

Exemple — bilan matière de la synthèse du PET

On fait réagir 5,00 mol5{,}00\ \text{mol} d'acide téréphtalique avec 5,00 mol5{,}00\ \text{mol} d'éthane-1,2-diol. Calcule la masse de PET formée et la masse d'eau éliminée (on utilise l'approximation 2n H2O2n\ \text{H}_2\text{O}, M(H2O)=18,0 g⋅mol−1M(\text{H}_2\text{O}) = 18{,}0\ \text{g·mol}^{-1}, M(motif PET)=192,0 g⋅mol−1M(\text{motif PET}) = 192{,}0\ \text{g·mol}^{-1}).

  1. quantité de motifs formés : 5,00 mol5{,}00\ \text{mol}1 diacide + 1 diol → 1 motif
  2. m(PET)=5,00×192,0m(\text{PET}) = 5{,}00 \times 192{,}0
  3. =960 g960\ \text{g}
  4. n(H2O)=2×5,00=10,0 moln(\text{H}_2\text{O}) = 2 \times 5{,}00 = 10{,}0\ \text{mol}
  5. m(H2O)=10,0×18,0m(\text{H}_2\text{O}) = 10{,}0 \times 18{,}0
  6. =180 g180\ \text{g}

Vérification : 5,00×166,0+5,00×62,0=1 140 g=960+1805{,}00\times166{,}0 + 5{,}00\times62{,}0 = 1\,140\ \text{g} = 960 + 180. La masse se conserve. ✓

Attention

Pour une polycondensation, la masse molaire du motif n'est pas la somme des masses molaires des deux monomères : il faut systématiquement soustraire les masses des petites molécules éliminées. Oublier cette soustraction est l'erreur la plus fréquente dans les calculs de degré de polymérisation, étudiés à la section suivante.

3Degré de polymérisation

Tu sais désormais écrire l'équation d'une polymérisation ; il reste à répondre à une question très concrète : combien de fois le motif se répète-t-il réellement dans une chaîne ? C'est tout l'enjeu du degré de polymérisation, la grandeur qui relie l'échelle du motif (quelques dizaines de g·mol⁻¹) à celle de la macromolécule, parfois un million de fois plus lourde.

3.1  Définition et calcul de nn

Définition — Degré de polymérisation

Le degré de polymérisation, noté nn, est le nombre de motifs enchaînés dans une macromolécule. C'est un entier très grand, typiquement compris entre 10210^{2} et 10510^{5}.

Ordre de grandeur : le glucose, une petite molécule, a une masse molaire M≈180 g⋅mol−1M \approx 180\ \text{g·mol}^{-1}. Une chaîne de cellulose (motif glucose, section 6) atteint couramment M‾≈500 000 g⋅mol−1\overline{M} \approx 500\,000\ \text{g·mol}^{-1}, soit n≈2 800n \approx 2\,800 motifs : c'est cette répétition, et elle seule, qui transforme une petite molécule soluble en fibre végétale insoluble et résistante.
Propriété — Masse molaire d'un polymère

En négligeant la masse des deux extrémités de chaîne, très petite devant celle des nn motifs, la masse molaire moyenne M‾\overline{M} du polymère est reliée à la masse molaire M0M_0 du motif par :

M‾=n×M0soitn=M‾M0\overline{M} = n \times M_0 \qquad\text{soit}\qquad n = \dfrac{\overline{M}}{M_0}

Méthode — calculer nn à partir d'une masse molaire

1) Identifie le motif et calcule sa masse molaire M0M_0 (pour une polycondensation, elle est déjà amputée des petites molécules éliminées, section 2.2). 2) Divise la masse molaire moyenne du polymère M‾\overline{M} par M0M_0. 3) nn étant un nombre de motifs, arrondis à l'entier le plus proche — voire à l'ordre de grandeur, puisqu'un échantillon réel contient des chaînes de longueurs différentes (3.2).

Exemple — degré de polymérisation d'un polyéthylène

Un polyéthylène haute densité a une masse molaire moyenne M‾=280 000 g⋅mol−1\overline{M} = 280\,000\ \text{g·mol}^{-1}. Calcule son degré de polymérisation.

  1. motif −(CH2–CH2)−-\left(\text{CH}_2\text{–CH}_2\right)- : M0=2×12,0+4×1,0M_0 = 2\times12{,}0+4\times1{,}0
  2. =28,0 g⋅mol−128{,}0\ \text{g·mol}^{-1}
  3. n=M‾M0n = \dfrac{\overline{M}}{M_0}
  4. =280 00028,0\dfrac{280\,000}{28{,}0}
  5. =10 00010\,000soit 10410^{4} motifs enchaînés
Attention

Pour une polycondensation, M0M_0 est la masse molaire du motif, jamais la somme brute des masses molaires des deux monomères de départ : c'est l'erreur signalée en section 2.2, et c'est la plus sanctionnée au bac dans ce type de calcul.

3.2  Masse molaire moyenne d'un échantillon réel

Dans un bécher de polyéthylène, toutes les chaînes n'ont pas exactement la même longueur : l'amorçage et la terminaison (section 2.1) interviennent à des instants aléatoires, si bien qu'un échantillon contient une distribution de degrés de polymérisation. La valeur M‾\overline{M} utilisée en 3.1 est donc une moyenne sur l'ensemble des chaînes, et le nn qu'on en déduit est lui aussi une moyenne — jamais une valeur exacte commune à toutes les macromolécules de l'échantillon.

Exemple — degré de polymérisation du nylon 6-6

Un fil de nylon 6-6 a une masse molaire moyenne M‾=45 200 g⋅mol−1\overline{M} = 45\,200\ \text{g·mol}^{-1}. Sachant que son motif a pour masse molaire M0=226,0 g⋅mol−1M_0 = 226{,}0\ \text{g·mol}^{-1} (figure 3), calcule nn puis le nombre approximatif d'atomes de carbone présents dans une chaîne.

  1. n=M‾M0n = \dfrac{\overline{M}}{M_0}
  2. =45 200226,0\dfrac{45\,200}{226{,}0}
  3. =200200
  4. motif C12H22N2O2\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{N}_2\text{O}_2 : 12 atomes de carbone par motif
  5. ⇒12×200=2 40012 \times 200 = 2\,400 atomes de carbone dans la chaîne

C'est en ajustant les conditions de polymérisation — température, durée, quantité d'amorceur — que l'industriel choisit la longueur moyenne des chaînes, et donc les propriétés mécaniques du matériau final : c'est précisément le sujet de la section suivante.

4Polymères usuels et propriétés

Deux polymères peuvent avoir un motif de composition très proche et se comporter de façon radicalement différente : sac souple qui fond sur une plaque chaude, prise électrique dure qui ne fond jamais, pneu qui reprend sa forme après étirement. Ces comportements ne viennent pas du motif seul, mais de la façon dont les chaînes s'agencent entre elles.

4.1  Structure des chaînes macromoléculaires

Définition — Architectures de chaîne

Une chaîne macromoléculaire peut être linéaire (motifs enchaînés bout à bout, sans ramification), ramifiée (des chaînes secondaires greffées sur la chaîne principale), ou réticulée (des liaisons covalentes transversales, ou pontages, relient plusieurs chaînes en un unique réseau tridimensionnel).

Trois architectures de chaînes macromoléculaires Linéaire PE haute densité, PVC rigide Ramifiée PE basse densité Réticulée bakélite, caoutchouc vulcanisé
Figure 6 — Trois architectures pour une chaîne macromoléculaire : linéaire, ramifiée (chaîne secondaire violette greffée sur la chaîne principale), ou réticulée (pontages covalents rouges reliant plusieurs chaînes en un réseau tridimensionnel unique, infusible une fois formé).

Plus les chaînes sont linéaires et régulières, mieux elles s'organisent en s'empilant (cristallinité, 4.3) ; les ramifications gênent cet arrangement et rendent le matériau moins dense. La réticulation, elle, change la nature même de l'objet : ce n'est plus un ensemble de chaînes indépendantes mais une unique molécule géante — ce qui a une conséquence radicale sur son comportement à la chaleur.

4.2  Thermoplastiques, thermodurcissables et élastomères

Définition — Trois familles selon le comportement thermique

Un thermoplastique (chaînes linéaires ou ramifiées, liaisons de Van der Waals entre chaînes) ramollit sous l'effet de la chaleur et durcit en refroidissant, de façon réversible : on peut le refondre et le remouler. Un thermodurcissable (chaînes réticulées par des liaisons covalentes) durcit irréversiblement lors de sa formation : chauffé de nouveau, il se décompose sans refondre. Un élastomère (chaînes faiblement réticulées, très repliées sur elles-mêmes) s'étire réversiblement à plusieurs fois sa longueur, puis reprend sa forme dès que la contrainte cesse.

Exemple — reconnaître une famille à partir d'une propriété

Explique pourquoi la bakélite, une fois moulée, ne peut plus jamais être refondue, alors qu'un sac en polyéthylène fond facilement sur une plaque chaude.

  1. la bakélite se forme par polycondensation du phénol et du formaldéhyde en un réseau très réticulé (section 1)
  2. ⇒toutes ses chaînes sont reliées par des liaisons covalentes : l'objet moulé est une unique molécule géante
  3. ⇒chauffer ne peut alors que casser des liaisons covalentes, donc décomposer l'objet — jamais « refondre » un réseau
  4. le polyéthylène, lui, est linéaire : ses chaînes ne sont retenues entre elles que par des forces de Van der Waals, faibles
  5. ⇒PE = thermoplastique (fond), bakélite = thermodurcissable (ne fond jamais)

Le caoutchouc naturel brut (polyisoprène, section 6) est collant et se déforme irréversiblement. En 1839, l'Américain Charles Goodyear découvre par accident qu'en le chauffant avec du soufre, il crée quelques pontages entre les chaînes : le matériau devient élastique et résistant. C'est la vulcanisation — une réticulation partielle, juste assez lâche pour laisser les chaînes s'étirer, qui transforme un polymère collant en élastomère utilisable pour les pneus et les joints.

Chimie & Co — Ziegler et Natta, la stéréochimie au service du polymère

En 1953, l'Allemand Karl Ziegler découvre des catalyseurs à base de titane et d'aluminium qui polymérisent l'éthylène à basse pression, avec un excellent contrôle de la chaîne. L'Italien Giulio Natta étend aussitôt la méthode au propène et montre qu'elle permet d'orienter tous les groupes CH3\text{CH}_3 latéraux du même côté de la chaîne (polypropylène dit isotactique) : les chaînes, devenues régulières, s'empilent bien mieux et cristallisent (4.3), ce qui rend le matériau nettement plus résistant. Ziegler et Natta reçoivent le prix Nobel de chimie 1963 pour cette découverte, toujours à la base de la fabrication industrielle du PE et du PP.

Attention

Ne confonds pas « fondre » et « brûler ». Un thermodurcissable ne fond jamais : il reste solide jusqu'à sa température de décomposition, où il se carbonise. Une prise électrique en bakélite ne se recycle donc pas par refonte, contrairement à une bouteille en PET — point essentiel pour la section 5.

4.3  Cristallinité, température de transition vitreuse et additifs

Définition — Cristallinité et transition vitreuse

Dans un polymère solide, certaines zones voient leurs chaînes s'aligner en un empilement régulier et compact : ce sont des zones cristallines ; ailleurs, les chaînes s'enchevêtrent sans ordre : ce sont des zones amorphes. Le taux de cristallinité augmente la dureté, la densité et l'opacité du matériau — un sac en PE (peu cristallin) reste souple et translucide, une pièce en PE haute densité (plus cristallin) est rigide et opaque. La température de transition vitreuse TgT_g est la température en dessous de laquelle les zones amorphes deviennent rigides et cassantes (état vitreux) ; au-dessus, elles deviennent souples (état caoutchoutique).

Exemple — pourquoi un même polymère peut être rigide ou souple

Le PVC pur a une température de transition vitreuse Tg≈80 °CT_g \approx 80\ \text{°C} : à température ambiante, il est rigide (tuyaux, cadres de fenêtre). Pour fabriquer un tuyau d'arrosage souple, on lui ajoute un plastifiant, une petite molécule qui s'insère entre les chaînes.

  1. le plastifiant s'insère entre les chaînes de PVC et les écarte les unes des autres
  2. ⇒les forces de Van der Waals entre chaînes voisines s'affaiblissent
  3. ⇒TgT_g s'abaisse, en dessous de la température ambiante
  4. ⇒le PVC plastifié est souple à 20 °C20\ \text{°C}

D'autres additifs ajustent les propriétés sans changer la nature chimique du polymère : colorants (pigments dispersés), stabilisants UV (protègent les liaisons de la lumière), ignifugeants (retardent la combustion), charges comme les fibres de verre ou le talc (renforcent la rigidité).

PolymèreUsage principalPropriété cléFamille
PE (polyéthylène)sacs, flacons, filmssouple, imperméable, très bon marchéthermoplastique
PVCtuyaux, câbles, cadresrigide pur, souple plastifié ; résiste au feuthermoplastique
PS (polystyrène)emballages, boîtiers, isolation (PS expansé)rigide et cassant ; excellent isolant en moussethermoplastique
PP (polypropylène)récipients alimentaires, cordages, seringuesrésiste à la chaleur (≈100 °C\approx 100\ \text{°C}), légerthermoplastique
PTFE (Téflon)revêtements antiadhésifs, jointsextrêmement inerte chimiquement, glissantthermoplastique
PMMA (Plexiglas)vitrages, feux arrière, hublotstransparent, incassable, se raye facilementthermoplastique
Nylon 6-6textiles, cordages, engrenagesgrande résistance à la traction et à l'abrasionthermoplastique
PETbouteilles, fibres polyestertransparent, résistant aux chocs, recyclablethermoplastique
Bakéliteprises électriques, manches d'outilsdure, infusible, bon isolant électriquethermodurcissable
Polyuréthanemousses, colles, vernisrigide ou souple selon le taux de réticulationthermodur. / élastomère
Caoutchouc vulcanisépneus, joints, semellesgrande élasticité réversibleélastomère

Ces propriétés dictent aussi le destin des objets en fin de vie : peut-on les refondre, les trier, les décomposer ? C'est tout l'enjeu du recyclage et de la pollution plastique, abordé à la section suivante, chiffres à l'appui.

5Recyclage et pollution plastique

Un objet en plastique a beau être solide et pratique, il doit un jour finir sa vie quelque part : à la poubelle triée, recyclé, incinéré, ou abandonné dans la nature. Cette section te donne les clés chimiques pour comprendre — et discuter au bac, chiffres à l'appui — ce qui distingue un déchet correctement géré d'une pollution durable.

Ordre de grandeur : la production mondiale de matières plastiques est passée d'environ 22 millions de tonnes en 1950 à plus de 400400 millions de tonnes aujourd'hui ; on estime que moins de 10 %10\ \% de tout le plastique jamais produit a été recyclé.

5.1  Les sept codes de recyclage

Définition — Recyclage

Le recyclage consiste à collecter, trier puis retraiter un déchet plastique pour en refaire une matière première. Il n'est possible par fusion que pour les thermoplastiques (section 4.2), triés grâce à un code d'identification à 7 chiffres moulé sur la plupart des objets.

Les 7 codes de recyclage des plastiques 1PETbouteilles 2PEHDflacons 3PVCtuyaux 4PEBDsacs 5PPyaourts 6PSgobelets 7Autresdivers collecté couramment collecte partielle rarement recyclé
Figure 7 — Les sept codes de recyclage (pictogramme simplifié : triangle numéroté). En Afrique francophone, le PET (1) et le PEHD (2) sont les plus couramment collectés ; le PVC (3) et le polystyrène (6) le sont rarement, faute de filières adaptées.
CodeSigleNom completExemples
1PETpolyéthylène téréphtalatebouteilles d'eau et de soda, fibres polaires
2PEHDpolyéthylène haute densitéflacons de lait, bidons, tuyaux
3PVCpolychlorure de vinyletuyaux, châssis de fenêtre, gaines électriques
4PEBDpolyéthylène basse densitésacs, films alimentaires, sachets
5PPpolypropylènepots de yaourt, bouchons, seringues
6PSpolystyrènebarquettes, gobelets, emballages
7AutresPLA, ABS, polycarbonate, mélangesbioplastiques, jouets, électronique

5.2  Biodégradabilité, pollution et incinération

Définition — Biodégradabilité

Un matériau est biodégradable lorsque des micro-organismes (bactéries, champignons) le décomposent en petites molécules (CO2\text{CO}_2, H2O\text{H}_2\text{O}, biomasse) grâce à des enzymes qui coupent certaines liaisons. Ces enzymes reconnaissent les liaisons ester, amide ou glycosidique (polyesters, polyamides, polysaccharides naturels), mais restent impuissantes face au squelette carbone–carbone du PE, du PVC ou du PP : ces polymères ne sont pas biodégradables.

Abandonné dans la nature, un sac en polyéthylène ne disparaît pas : le rayonnement UV et les frottements le fragmentent peu à peu en microplastiques (particules de moins de 5 mm5\ \text{mm}), sans jamais le minéraliser complètement — le processus s'étale sur plusieurs centaines d'années. Ces microplastiques sont ingérés par le zooplancton puis les poissons, et remontent ainsi toute la chaîne alimentaire.

Le lac Tchad, comme tout lac endoréique (sans exutoire vers la mer), concentre au fil des décennies les déchets charriés par ses affluents : faute d'écoulement, rien n'en ressort, ce qui aggrave la pollution locale et menace la pêche dont vivent des millions de riverains. Face à ce constat, plusieurs pays d'Afrique francophone ont interdit les sachets plastiques les plus légers — les premiers à s'envoler, à boucher les caniveaux et à être avalés par le bétail : le Sénégal, par une loi de 2015 visant les sachets de moins de 30 μm30\ \mu\text{m} d'épaisseur ; le Tchad, dès le début des années 2010 ; rejoignant des pionniers comme le Rwanda, qui bannit tout sac plastique dès 2008.

Exemple — combustion complète du polyéthylène

Écris et équilibre l'équation de combustion complète d'un motif de polyéthylène dans le dioxygène.

  1. motif : C2H4\text{C}_2\text{H}_4
  2. combustion complète : produits CO2\text{CO}_2 et H2O\text{H}_2\text{O}
  3. ⇒C2H4+3 O2⟶2 CO2+2 H2O\text{C}_2\text{H}_4 + 3\ \text{O}_2 \longrightarrow 2\ \text{CO}_2 + 2\ \text{H}_2\text{O}
  4. vérification : 2 C, 4 H, 6 O de chaque côtééquation équilibrée

Bien maîtrisée (incinérateur avec valorisation énergétique), cette combustion ne rejette que du CO2\text{CO}_2 et de l'eau, en plus de la chaleur récupérable — mais elle reste une source de gaz à effet de serre.

Exemple — combustion du PVC : un cas à part

Écris l'équation de combustion complète d'un motif de PVC, et explique pourquoi son incinération est réglementée.

  1. motif : C2H3Cl\text{C}_2\text{H}_3\text{Cl}
  2. on double le motif pour équilibrer le chlore sans coefficient fractionnaire
  3. ⇒2 C2H3Cl+5 O2⟶4 CO2+2 H2O+2 HCl2\ \text{C}_2\text{H}_3\text{Cl} + 5\ \text{O}_2 \longrightarrow 4\ \text{CO}_2 + 2\ \text{H}_2\text{O} + 2\ \text{HCl}
  4. vérification : 4 C, 6 H, 2 Cl, 10 O de chaque côtééquation équilibrée

Le chlorure d'hydrogène HCl\text{HCl} formé est un gaz corrosif et toxique ; en cas de combustion incomplète ou mal maîtrisée, la présence de chlore favorise en plus la formation de dioxines, des composés très toxiques. L'incinération du PVC exige donc des installations spécialisées, équipées de systèmes de neutralisation des fumées.

6Biopolymères

Avant même que Baekeland n'invente la bakélite (section 1), la nature façonnait déjà des macromolécules bien plus raffinées que n'importe quel plastique industriel. Cette dernière section de cours revient sur les polymères naturels déjà croisés dans le tableau de la section 1, et te montre comment la chimie moderne s'en inspire pour imaginer les plastiques de demain.

6.1  Polysaccharides : cellulose et amidon

Définition — Polysaccharide

Un polysaccharide est un polymère naturel dont le motif est un ose (sucre simple), le plus souvent le glucose (C6H12O6\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6). Deux glucoses se lient par une liaison glycosidique –O–\text{–O–}, formée par élimination d'une molécule d'eau entre deux fonctions –OH\text{–OH} : c'est, comme pour le nylon ou le PET, une polycondensation.

La cellulose et l'amidon partagent exactement le même motif glucose, et pourtant leurs propriétés n'ont rien de commun : la première est une fibre végétale rigide et insoluble (parois cellulaires, coton, bois, papier), le second une réserve énergétique digestible (tubercules, céréales). La différence tient à la géométrie de la liaison glycosidique : dans la cellulose, elle impose des chaînes parfaitement linéaires qui s'assemblent par liaisons hydrogène en fibres très résistantes ; dans l'amidon, elle courbe la chaîne en hélice, une forme que les enzymes digestives humaines savent hydrolyser — contrairement à la cellulose, que seuls certains herbivores et micro-organismes savent digérer.

Exemple — du glucose au motif du polysaccharide

Le glucose a pour formule C6H12O6\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 (M=180,0 g⋅mol−1M = 180{,}0\ \text{g·mol}^{-1}). Détermine la formule et la masse molaire du motif de la cellulose.

  1. chaque liaison glycosidique élimine une molécule H2O\text{H}_2\text{O}polycondensation, comme en section 2.2
  2. ⇒motif =C6H12O6−H2O= \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 - \text{H}_2\text{O}
  3. =C6H10O5\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5
  4. M0=6×12,0+10×1,0+5×16,0M_0 = 6\times12{,}0+10\times1{,}0+5\times16{,}0
  5. =162,0 g⋅mol−1162{,}0\ \text{g·mol}^{-1}

6.2  Protéines : polyamides naturels

Définition — Protéine

Une protéine est un polymère naturel dont le motif est un acide aminé, de formule générale H2N–CHR–COOH\text{H}_2\text{N–CHR–COOH} (le groupe R\text{R} variant selon l'acide aminé, une vingtaine dans le vivant). Deux acides aminés se lient par une liaison peptidique –CO–NH–\text{–CO–NH–}, en tout point identique à la liaison amide du nylon (section 2.2), avec élimination d'une molécule H2O\text{H}_2\text{O}.

Ce qui distingue une protéine d'un polyamide industriel, c'est l'ordre précis dans lequel s'enchaînent les motifs : cette séquence détermine entièrement le repliement de la chaîne, donc la fonction biologique — kératine des cheveux, collagène de la peau, hémoglobine du sang ou enzyme digestive naissent tous du même type de liaison ; seule la séquence change.

Exemple — formation d'une liaison peptidique

Écris l'équation de condensation entre la glycine (H2N–CH2–COOH\text{H}_2\text{N–CH}_2\text{–COOH}) et l'alanine (H2N–CH(CH3)–COOH\text{H}_2\text{N–CH(CH}_3\text{)–COOH}) formant un dipeptide.

  1. le –COOH\text{–COOH} de la glycine réagit avec le –NH2\text{–NH}_2 de l'alanine
  2. ⇒H2N–CH2–COOH+H2N–CH(CH3)–COOH⟶H2N–CH2–CO–NH–CH(CH3)–COOH+H2O\text{H}_2\text{N–CH}_2\text{–COOH} + \text{H}_2\text{N–CH(CH}_3\text{)–COOH} \longrightarrow \text{H}_2\text{N–CH}_2\text{–CO–NH–CH(CH}_3\text{)–COOH} + \text{H}_2\text{O}
  3. la liaison –CO–NH–\text{–CO–NH–} formée est la liaison peptidiqueidentique à la liaison amide du nylon

6.3  ADN et bioplastiques : le PLA

L'ADN (acide désoxyribonucléique) est lui aussi un polymère, mais d'un genre différent : son motif, le nucléotide (association d'un sucre, d'un groupe phosphate et d'une base azotée), ne construit pas un matériau résistant mais stocke et transmet l'information génétique — la séquence des quatre bases constitue un véritable langage moléculaire, sur lequel repose toute l'hérédité du vivant.

Depuis les années 1990, la chimie s'inspire de ces polymères naturels pour proposer des bioplastiques, biosourcés et biodégradables. Le plus répandu est l'acide polylactique (PLA), obtenu par polycondensation de l'acide lactique HO–CH(CH3)–COOH\text{HO–CH(CH}_3\text{)–COOH}, lui-même produit par fermentation de l'amidon de maïs ou de canne à sucre.

Exemple — synthèse du PLA

L'acide lactique porte à la fois une fonction –OH\text{–OH} et une fonction –COOH\text{–COOH} sur la même molécule. Écris l'équation de sa polycondensation en PLA.

  1. chaque monomère réagit avec le suivant par ses deux fonctionsun seul type de monomère suffit, contrairement au nylon ou au PET
  2. ⇒n HO–CH(CH3)–COOH⟶(–O–CH(CH3)–CO–)n+n H2On\ \text{HO–CH(CH}_3\text{)–COOH} \longrightarrow \left(\text{–O–CH(CH}_3\text{)–CO–}\right)_n + n\ \text{H}_2\text{O}
  3. la liaison formée est une liaison estercomme dans le PET, section 2.2
Attention

« Biodégradable » ne signifie pas « disparaît n'importe où ». Le PLA ne se dégrade rapidement qu'en compostage industriel (température proche de 60 °C60\ \text{°C}, humidité et micro-organismes contrôlés) : abandonné dans l'océan ou en décharge sauvage, il persiste presque aussi longtemps qu'un plastique classique. Un bioplastique n'est une solution que si la filière de collecte et de compostage existe réellement — sans elle, il n'apporte rien de plus qu'un plastique ordinaire.

Fiche mémo

  • Polymère =(motif)n= (\text{motif})_n ; nn = degré de polymérisation ; M‾=n×M0\overline{M} = n \times M_0.
  • Polyaddition : n CH2=CHX⟶(–CH2–CHX–)nn\ \text{CH}_2\text{=CHX} \longrightarrow \left(\text{–CH}_2\text{–CHX–}\right)_n — aucun atome éliminé, motif = monomère.
  • Polycondensation : monomères bifonctionnels, élimination de H2O\text{H}_2\text{O} (ou HCl\text{HCl}) à chaque liaison ; motif ≠\neq somme des monomères.
  • Liaison amide –CO–NH–\text{–CO–NH–} : polyamides (nylon 6-6, protéines). Liaison ester –CO–O–\text{–CO–O–} : polyesters (PET, PLA).
  • n=M‾polymeˋreM0n = \dfrac{\overline{M}_{\text{polymère}}}{M_0} — pour une polycondensation, M0M_0 est déjà amputé des molécules éliminées.
  • Thermoplastique (linéaire/ramifié) : refond, recyclable. Thermodurcissable (réticulé) : ne fond jamais. Élastomère : réticulation lâche, élasticité réversible.
  • Cristallinité ↗\nearrow ⇒ dureté, densité, opacité ↗\nearrow. Sous TgT_g : état vitreux, cassant ; au-dessus : état caoutchoutique.
  • 7 codes de recyclage : 1 PET, 2 PEHD, 3 PVC, 4 PEBD, 5 PP, 6 PS, 7 autres — seuls les thermoplastiques se recyclent par fusion.
  • Biodégradable = liaisons hydrolysables (ester, amide, glycosidique) attaquées par des enzymes ; le squelette C–C (PE, PVC, PP…) ne l'est pas.
  • Combustion complète d'un hydrocarbure : CxHy+(x+y4)O2⟶x CO2+y2 H2O\text{C}_x\text{H}_y + \left(x+\tfrac{y}{4}\right)\text{O}_2 \longrightarrow x\ \text{CO}_2 + \tfrac{y}{2}\ \text{H}_2\text{O} — le PVC libère en plus du HCl\text{HCl} corrosif.
  • Biopolymères naturels : cellulose et amidon (motif glucose, liaison glycosidique), protéines (motif acide aminé, liaison peptidique), ADN (motif nucléotide, information génétique).
  • PLA = polyester biosourcé et biodégradable, mais seulement en compostage industriel contrôlé.

7Exercices corrigés

À toi de jouer : ces quinze exercices reprennent, dans l'ordre, toutes les notions du chapitre — motif, degré de polymérisation, propriétés, recyclage et biopolymères. Cherche d'abord seul, puis compare avec le corrigé détaillé.

Niveau 1 — Application directe
1

Détermine le motif du poly(acétate de vinyle) — la base de nombreuses colles blanches et peintures — à partir du monomère acétate de vinyle CH2=CH–O–CO–CH3\text{CH}_2\text{=CH–O–CO–CH}_3.

Voir le corrigé détaillé
  1. la double liaison C=C\text{C=C} s'ouvre, le reste de la molécule n'est pas modifié
  2. ⇒motif =−(CH2–CH(O–CO–CH3))−= -\left(\text{CH}_2\text{–CH(O–CO–CH}_3\text{)}\right)-
2

Écris l'équation de polymérisation du chlorure de vinylidène CH2=CCl2\text{CH}_2\text{=CCl}_2 en poly(chlorure de vinylidène) (PVDC), le polymère du film alimentaire souple.

Voir le corrigé détaillé
  1. monomère porteur d'une double liaison C=C\text{C=C} : polyaddition
  2. ⇒n CH2=CCl2⟶(–CH2–CCl2–)nn\ \text{CH}_2\text{=CCl}_2 \longrightarrow \left(\text{–CH}_2\text{–CCl}_2\text{–}\right)_n
3

Calcule la masse molaire du motif du polypropylène (PP), de formule C3H6\text{C}_3\text{H}_6.

Voir le corrigé détaillé
  1. M0=3×12,0+6×1,0M_0 = 3\times12{,}0+6\times1{,}0
  2. =42,0 g⋅mol−142{,}0\ \text{g·mol}^{-1}
4

Écris l'équation de synthèse du nylon 6-10, obtenu à partir de l'hexaméthylènediamine H2N–(CH2)6–NH2\text{H}_2\text{N–(CH}_2\text{)}_6\text{–NH}_2 et de l'acide sébacique HOOC–(CH2)8–COOH\text{HOOC–(CH}_2\text{)}_8\text{–COOH}. Nomme la liaison formée.

Voir le corrigé détaillé
  1. deux monomères bifonctionnels, élimination de H2O\text{H}_2\text{O} : polycondensation
  2. ⇒n H2N–(CH2)6–NH2+n HOOC–(CH2)8–COOH⟶(–NH–(CH2)6–NH–CO–(CH2)8–CO–)n+2n H2On\ \text{H}_2\text{N–(CH}_2\text{)}_6\text{–NH}_2 + n\ \text{HOOC–(CH}_2\text{)}_8\text{–COOH} \longrightarrow \left(\text{–NH–(CH}_2\text{)}_6\text{–NH–CO–(CH}_2\text{)}_8\text{–CO–}\right)_n + 2n\ \text{H}_2\text{O}
  3. la liaison –NH–CO–\text{–NH–CO–} formée est une liaison amidele nylon 6-10 est un polyamide, comme le nylon 6-6
5

Un échantillon de polypropylène a une masse molaire moyenne M‾=63 000 g⋅mol−1\overline{M} = 63\,000\ \text{g·mol}^{-1}. En utilisant la masse molaire du motif calculée à l'exercice 3, détermine son degré de polymérisation nn.

Voir le corrigé détaillé
  1. n=M‾M0n = \dfrac{\overline{M}}{M_0}
  2. =63 00042,0\dfrac{63\,000}{42{,}0}
  3. =1 5001\,500
Niveau 2 — Approfondissement
6

On fait réagir 3,00 mol3{,}00\ \text{mol} d'hexaméthylènediamine avec 3,00 mol3{,}00\ \text{mol} d'acide adipique. Calcule la masse de nylon 6-6 formée et la masse d'eau éliminée (M(motif)=226,0 g⋅mol−1M(\text{motif}) = 226{,}0\ \text{g·mol}^{-1}, M(H2O)=18,0 g⋅mol−1M(\text{H}_2\text{O}) = 18{,}0\ \text{g·mol}^{-1}).

Voir le corrigé détaillé
  1. 1 diamine + 1 diacide → 1 motif : quantité de motifs formés =3,00 mol= 3{,}00\ \text{mol}
  2. m(nylon)=3,00×226,0m(\text{nylon}) = 3{,}00\times226{,}0
  3. =678 g678\ \text{g}
  4. n(H2O)=2×3,00n(\text{H}_2\text{O}) = 2\times3{,}00
  5. =6,00 mol6{,}00\ \text{mol}
  6. m(H2O)=6,00×18,0m(\text{H}_2\text{O}) = 6{,}00\times18{,}0
  7. =108 g108\ \text{g}

Vérification : 3,00×116,0+3,00×146,0=786 g=678+1083{,}00\times116{,}0+3{,}00\times146{,}0 = 786\ \text{g} = 678+108. La masse se conserve. ✓

7

Le Plexiglas (PMMA) a pour motif −(CH2–C(CH3)(COOCH3))−-\left(\text{CH}_2\text{–C(CH}_3\text{)(COOCH}_3\text{)}\right)-, de formule C5H8O2\text{C}_5\text{H}_8\text{O}_2. Une plaque de PMMA de masse 500 g500\ \text{g} est constituée de chaînes de degré de polymérisation moyen n=8 000n = 8\,000.

  1. Calcule la masse molaire du motif M0M_0.
  2. Calcule la masse molaire moyenne M‾\overline{M} des chaînes.
  3. Déduis-en la quantité de matière de chaînes macromoléculaires contenues dans la plaque.
Voir le corrigé détaillé

1.

  1. M0=5×12,0+8×1,0+2×16,0M_0 = 5\times12{,}0+8\times1{,}0+2\times16{,}0
  2. =100,0 g⋅mol−1100{,}0\ \text{g·mol}^{-1}

2.

  1. M‾=n×M0\overline{M} = n\times M_0
  2. =8 000×100,08\,000\times100{,}0
  3. =800 000 g⋅mol−1800\,000\ \text{g·mol}^{-1}soit 8,00×105 g⋅mol−18{,}00\times10^{5}\ \text{g·mol}^{-1}

3. La quantité de matière de chaînes se calcule avec la masse molaire moyenne des chaînes M‾\overline{M}, pas avec M0M_0.

  1. nchaıˆnes=mM‾n_{\text{chaînes}} = \dfrac{m}{\overline{M}}
  2. =500800 000\dfrac{500}{800\,000}
  3. =6,25×10−4 mol6{,}25\times10^{-4}\ \text{mol}
8

Deux échantillons de polyéthylène ont des masses volumiques différentes : l'échantillon A (0,94 g⋅cm−30{,}94\ \text{g·cm}^{-3}) est utilisé pour des bidons rigides, l'échantillon B (0,92 g⋅cm−30{,}92\ \text{g·cm}^{-3}) pour des sacs souples. En utilisant les notions de structure de chaîne et de cristallinité (section 4), explique cette différence.

Voir le corrigé détaillé
  1. l'échantillon A, plus dense, est un PE haute densité (PEHD) : chaînes peu ramifiées
  2. ⇒les chaînes linéaires s'empilent plus régulièrement : le taux de cristallinité est plus élevé
  3. l'échantillon B, moins dense, est un PE basse densité (PEBD) : chaînes davantage ramifiées
  4. ⇒les ramifications gênent l'empilement des chaînes : le taux de cristallinité est plus faible, le matériau est plus souple

Plus un polyéthylène est cristallin, plus il est dense, rigide et opaque — c'est exactement ce qui distingue les usages du PEHD (bidons rigides) et du PEBD (sacs souples), tous deux pourtant obtenus à partir du même monomère éthylène.

9

Un sac en polyéthylène de masse 14,0 g14{,}0\ \text{g} est incinéré et brûle complètement. En utilisant l'équation de combustion établie en section 5.2, calcule la masse de dioxyde de carbone libérée (M0(C2H4)=28,0 g⋅mol−1M_0(\text{C}_2\text{H}_4) = 28{,}0\ \text{g·mol}^{-1}, M(CO2)=44,0 g⋅mol−1M(\text{CO}_2) = 44{,}0\ \text{g·mol}^{-1}).

Voir le corrigé détaillé
  1. C2H4+3 O2⟶2 CO2+2 H2O\text{C}_2\text{H}_4 + 3\ \text{O}_2 \longrightarrow 2\ \text{CO}_2 + 2\ \text{H}_2\text{O}1 mol de motif libère 2 mol de CO2\text{CO}_2
  2. n(C2H4)=14,028,0n(\text{C}_2\text{H}_4) = \dfrac{14{,}0}{28{,}0}
  3. =0,500 mol0{,}500\ \text{mol}
  4. n(CO2)=2×0,500n(\text{CO}_2) = 2\times0{,}500
  5. =1,00 mol1{,}00\ \text{mol}
  6. m(CO2)=1,00×44,0m(\text{CO}_2) = 1{,}00\times44{,}0
  7. =44,0 g44{,}0\ \text{g}
Niveau 3 — Type bac
10

Le nylon 6-6. On étudie la synthèse industrielle du nylon 6-6 à partir de l'hexaméthylènediamine H2N–(CH2)6–NH2\text{H}_2\text{N–(CH}_2\text{)}_6\text{–NH}_2 et de l'acide adipique HOOC–(CH2)4–COOH\text{HOOC–(CH}_2\text{)}_4\text{–COOH}.

  1. Écris l'équation de la réaction de polycondensation, et nomme le type de liaison formée.
  2. Le motif obtenu a pour formule C12H22N2O2\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{N}_2\text{O}_2. Calcule sa masse molaire M0M_0.
  3. Un fil de nylon 6-6 a une masse molaire moyenne M‾=90 400 g⋅mol−1\overline{M} = 90\,400\ \text{g·mol}^{-1}. Calcule son degré de polymérisation nn.
  4. Ce fil peut-il être recyclé par simple fusion ? Justifie à l'aide de sa structure.
Voir le corrigé détaillé

1. Deux monomères bifonctionnels réagissent avec élimination d'eau : c'est une polycondensation.

  1. n H2N–(CH2)6–NH2+n HOOC–(CH2)4–COOH⟶(–NH–(CH2)6–NH–CO–(CH2)4–CO–)n+2n H2On\ \text{H}_2\text{N–(CH}_2\text{)}_6\text{–NH}_2 + n\ \text{HOOC–(CH}_2\text{)}_4\text{–COOH} \longrightarrow \left(\text{–NH–(CH}_2\text{)}_6\text{–NH–CO–(CH}_2\text{)}_4\text{–CO–}\right)_n + 2n\ \text{H}_2\text{O}

La liaison –NH–CO–\text{–NH–CO–} formée est une liaison amide : le nylon 6-6 est un polyamide.

2.

  1. M0=12×12,0+22×1,0+2×14,0+2×16,0M_0 = 12\times12{,}0+22\times1{,}0+2\times14{,}0+2\times16{,}0
  2. =144,0+22,0+28,0+32,0144{,}0+22{,}0+28{,}0+32{,}0
  3. =226,0 g⋅mol−1226{,}0\ \text{g·mol}^{-1}

3.

  1. n=M‾M0n = \dfrac{\overline{M}}{M_0}
  2. =90 400226,0\dfrac{90\,400}{226{,}0}
  3. =400400

4. Le nylon 6-6 est constitué de chaînes linéaires, reliées entre elles uniquement par des liaisons hydrogène et des forces de Van der Waals — aucune liaison covalente ne relie deux chaînes différentes. C'est donc un thermoplastique : il ramollit à la chaleur et peut être refondu, remoulé et recyclé, contrairement à un polymère réticulé comme la bakélite.

11

Le PET des bouteilles. Une bouteille d'eau minérale est fabriquée en poly(éthylène téréphtalate), obtenu à partir d'éthane-1,2-diol HO–CH2–CH2–OH\text{HO–CH}_2\text{–CH}_2\text{–OH} et d'acide téréphtalique.

  1. Écris l'équation de la polycondensation formant le PET, et nomme la liaison créée.
  2. La paroi de la bouteille contient m=24,0 gm = 24{,}0\ \text{g} de PET, de degré de polymérisation moyen n=250n = 250 (motif M0=192,0 g⋅mol−1M_0 = 192{,}0\ \text{g·mol}^{-1}). Calcule la masse molaire moyenne M‾\overline{M} des chaînes, puis la quantité de matière de chaînes présentes dans la bouteille.
  3. Cette bouteille porte le code de recyclage « 1 ». Explique ce que signifie ce code, et pourquoi le PET est l'un des plastiques les plus recyclés au monde.
Voir le corrigé détaillé

1.

  1. n HO–CH2–CH2–OH+n HOOC–C6H4–COOH⟶(–O–CH2–CH2–O–CO–C6H4–CO–)n+2n H2On\ \text{HO–CH}_2\text{–CH}_2\text{–OH} + n\ \text{HOOC–C}_6\text{H}_4\text{–COOH} \longrightarrow \left(\text{–O–CH}_2\text{–CH}_2\text{–O–CO–C}_6\text{H}_4\text{–CO–}\right)_n + 2n\ \text{H}_2\text{O}

La liaison –CO–O–\text{–CO–O–} formée est une liaison ester : le PET est un polyester.

2.

  1. M‾=n×M0\overline{M} = n\times M_0
  2. =250×192,0250\times192{,}0
  3. =48 000 g⋅mol−148\,000\ \text{g·mol}^{-1}
  4. nchaıˆnes=mM‾n_{\text{chaînes}} = \dfrac{m}{\overline{M}}
  5. =24,048 000\dfrac{24{,}0}{48\,000}
  6. =5,00×10−4 mol5{,}00\times10^{-4}\ \text{mol}

3. Le code « 1 » identifie le PET (polyéthylène téréphtalate) dans le tri sélectif (section 5.1). Le PET est très recyclé car c'est un thermoplastique linéaire, transparent, facilement identifiable et refondable ; les filières de collecte des bouteilles sont, de plus, particulièrement développées dans le monde — contrairement au PVC ou au polystyrène, moins collectés.

12

Sac de course : PE ou PLA ? Un supermarché de Yaoundé hésite entre proposer des sacs en polyéthylène classique ou des sacs en acide polylactique (PLA), obtenu à partir de l'acide lactique HO–CH(CH3)–COOH\text{HO–CH(CH}_3\text{)–COOH}.

  1. Écris l'équation de polycondensation de l'acide lactique en PLA, et nomme la liaison formée.
  2. Le motif du PLA a pour formule C3H4O2\text{C}_3\text{H}_4\text{O}_2. Un sac en PLA de masse 72,0 g72{,}0\ \text{g} est constitué de chaînes de degré de polymérisation n=500n = 500. Calcule M0M_0, puis la masse molaire moyenne M‾\overline{M} des chaînes, puis la quantité de matière de chaînes correspondante.
  3. Le supermarché peut-il affirmer que le sac en PLA « ne pollue pas » s'il est jeté à la poubelle ordinaire ? Justifie.
Voir le corrigé détaillé

1.

  1. l'acide lactique porte à la fois une fonction –OH\text{–OH} et une fonction –COOH\text{–COOH}
  2. ⇒n HO–CH(CH3)–COOH⟶(–O–CH(CH3)–CO–)n+n H2On\ \text{HO–CH(CH}_3\text{)–COOH} \longrightarrow \left(\text{–O–CH(CH}_3\text{)–CO–}\right)_n + n\ \text{H}_2\text{O}

La liaison –CO–O–\text{–CO–O–} formée est une liaison ester : le PLA est un polyester biosourcé.

2.

  1. M0=3×12,0+4×1,0+2×16,0M_0 = 3\times12{,}0+4\times1{,}0+2\times16{,}0
  2. =72,0 g⋅mol−172{,}0\ \text{g·mol}^{-1}
  3. M‾=n×M0\overline{M} = n\times M_0
  4. =500×72,0500\times72{,}0
  5. =36 000 g⋅mol−136\,000\ \text{g·mol}^{-1}
  6. nchaıˆnes=mM‾n_{\text{chaînes}} = \dfrac{m}{\overline{M}}
  7. =72,036 000\dfrac{72{,}0}{36\,000}
  8. =2,00×10−3 mol2{,}00\times10^{-3}\ \text{mol}

3. Non : « biodégradable » ne veut pas dire « inoffensif dans n'importe quelles conditions » (section 6.3). Une poubelle ordinaire mène le plus souvent à une décharge ou à un enfouissement, où les conditions (température, humidité, micro-organismes) ne permettent pas une dégradation rapide du PLA — celui-ci persiste alors presque aussi longtemps qu'un sac en polyéthylène. Le bénéfice environnemental du PLA n'existe que si une filière de compostage industriel collecte réellement ces sacs séparément.

Niveau 4 — Problèmes de vie courante
13

La boutique d'Awa (Dakar). Avant la loi de 2015 interdisant les sachets plastiques légers, Awa, commerçante à Dakar, distribuait à ses clients des sachets en polyéthylène de 3,0 g3{,}0\ \text{g} chacun, à raison d'environ 200 sachets par jour.

  1. Calcule la masse totale de sachets plastiques distribués en un an (365 jours), en kilogrammes.
  2. Sachant qu'un sachet abandonné dans la nature met plusieurs siècles à se fragmenter complètement en microplastiques (section 5.2), commente l'impact d'une seule année d'activité de cette boutique si les sachets n'étaient pas correctement collectés.
  3. Ce type de sachet porte le code de recyclage « 4 » (PEBD). Pourquoi est-il malgré tout rarement recyclé en pratique ?
Voir le corrigé détaillé

1.

  1. masse par jour =200×3,0= 200\times3{,}0
  2. =600 g=0,600 kg600\ \text{g} = 0{,}600\ \text{kg}
  3. masse par an =0,600×365= 0{,}600\times365
  4. =219 kg219\ \text{kg}

2. Ce sont ainsi environ 219 kg219\ \text{kg} de matière, pour une seule boutique et une seule année, qui persisteraient sous forme de sachets puis de microplastiques pendant plusieurs siècles s'ils étaient abandonnés dans la nature — multipliée par le nombre de commerces d'une ville comme Dakar, cette masse illustre pourquoi une interdiction à la source, plutôt qu'un recyclage a posteriori très incomplet pour ce type d'objet, a été jugée nécessaire.

3. Les sachets fins en PEBD sont légers, souvent souillés par des restes alimentaires et se mélangent facilement à d'autres déchets : leur collecte séparée est coûteuse et peu rentable pour les filières de recyclage, qui leur préfèrent des objets plus lourds et plus propres comme les bouteilles en PET ou PEHD (codes 1 et 2).

14

L'usine d'embouteillage d'Abidjan. Une usine d'Abidjan fabrique des bouteilles d'eau en PET. Chaque bouteille vide contient 24,0 g24{,}0\ \text{g} de PET, dont les chaînes ont un degré de polymérisation moyen n=300n = 300 (motif M0=192,0 g⋅mol−1M_0 = 192{,}0\ \text{g·mol}^{-1}).

  1. Calcule la masse molaire moyenne M‾\overline{M} des chaînes de PET utilisées.
  2. L'usine produit 50 00050\,000 bouteilles par jour. Calcule la masse totale de PET nécessaire par jour, puis par mois (30 jours), en tonnes.
  3. Le PET est obtenu à partir d'acide téréphtalique (M=166,0 g⋅mol−1M = 166{,}0\ \text{g·mol}^{-1}) et d'éthane-1,2-diol (M=62,0 g⋅mol−1M = 62{,}0\ \text{g·mol}^{-1}), avec élimination d'eau (M0=166,0+62,0−2×18,0M_0 = 166{,}0+62{,}0-2\times18{,}0). Calcule la masse d'acide téréphtalique nécessaire pour produire une tonne de PET.
Voir le corrigé détaillé

1.

  1. M‾=n×M0\overline{M} = n\times M_0
  2. =300×192,0300\times192{,}0
  3. =57 600 g⋅mol−157\,600\ \text{g·mol}^{-1}

2.

  1. masse par jour =50 000×24,0= 50\,000\times24{,}0
  2. =1 200 000 g=1,20 t1\,200\,000\ \text{g} = 1{,}20\ \text{t}
  3. masse par mois =1,20×30= 1{,}20\times30
  4. =36,0 t36{,}0\ \text{t}

3. Sur 192,0 g192{,}0\ \text{g} de PET formé, 166,0 g166{,}0\ \text{g} proviennent de l'acide téréphtalique : ce rapport massique se conserve à toutes les échelles.

  1. m(acide)=1 000 000×166,0192,0m(\text{acide}) = 1\,000\,000\times\dfrac{166{,}0}{192{,}0}
  2. =864 583 g864\,583\ \text{g}
  3. ≈865 kg865\ \text{kg}pour chaque tonne de PET produite
15

Paillage biodégradable près de Bamako. Un maraîcher couvre 0,50 ha0{,}50\ \text{ha} de champ avec un film plastique de paillage, à raison de 1,0 kg1{,}0\ \text{kg} de film par are (1 ha=100 ares1\ \text{ha} = 100\ \text{ares}). Il hésite entre un film en polyéthylène classique, à 2 500 F CFA/kg2\,500\ \text{F CFA/kg}, et un film en PLA biodégradable, à 4 200 F CFA/kg4\,200\ \text{F CFA/kg}.

  1. Calcule la masse totale de film nécessaire pour couvrir son champ.
  2. Calcule le coût total de chaque option, puis leur différence.
  3. Le film en PLA justifie-t-il son surcoût uniquement parce qu'il est « biodégradable » ? Explique à quelle condition son usage est réellement plus favorable pour l'environnement.
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1.

  1. 0,50 ha=0,50×1000{,}50\ \text{ha} = 0{,}50\times100
  2. =50 ares50\ \text{ares}
  3. masse =50×1,0= 50\times1{,}0
  4. =50 kg50\ \text{kg}

2.

  1. coût PE =50×2 500= 50\times2\,500
  2. =125 000 F CFA125\,000\ \text{F CFA}
  3. coût PLA =50×4 200= 50\times4\,200
  4. =210 000 F CFA210\,000\ \text{F CFA}
  5. différence =210 000−125 000= 210\,000-125\,000
  6. =85 000 F CFA85\,000\ \text{F CFA}

3. Non : le PLA (section 6.3) ne se dégrade rapidement qu'en compostage industriel contrôlé. Simplement enfoui ou laissé dans le champ, il persiste presque aussi longtemps qu'un film en polyéthylène classique — le surcoût n'est alors pas justifié. L'usage du PLA n'est réellement plus favorable que si le maraîcher, ou une filière locale, peut ensuite collecter les restes de film et les composter dans de bonnes conditions ; sinon, un film en polyéthylène correctement retiré et recyclé (code 4) reste une option au moins aussi raisonnable.

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8 questions

Acides, bases et pH

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Dans un polymère (motif)n(\text{motif})_n, le motif désigne :

Explication : Le monomère est la molécule de départ ; le motif est ce qui se répète effectivement dans la chaîne, écrit entre parenthèses affectées de l'indice nn.

Dans une polyaddition, la relation entre le motif et le monomère est :

Explication : La polyaddition ouvre simplement la double liaison C=C du monomère, sans éliminer aucun atome : n CH2=CHX→(–CH2–CHX–)nn\,\text{CH}_2\text{=CHX} \to \left(\text{–CH}_2\text{–CHX–}\right)_n.

La polycondensation se caractérise par :

Explication : Contrairement à la polyaddition, la polycondensation met en jeu deux fonctions complémentaires (diacide/diol, diacide/diamine…) et élimine systématiquement une petite molécule, le plus souvent de l'eau.

Le motif du PVC, −(CH2–CHCl)−-\left(\text{CH}_2\text{–CHCl}\right)-, a une masse molaire M0=62,5 g⋅mol−1M_0 = 62{,}5\ \text{g·mol}^{-1}. Un tuyau en PVC a une masse molaire moyenne M‾=125 000 g⋅mol−1\overline{M} = 125\,000\ \text{g·mol}^{-1}. Quel est son degré de polymérisation nn ?

Explication : n=M‾M0=125 00062,5=2 000n = \dfrac{\overline{M}}{M_0} = \dfrac{125\,000}{62{,}5} = 2\,000.

La liaison qui relie les motifs du nylon 6-6 s'appelle une liaison :

Explication : Le nylon 6-6 est un polyamide : la réaction d'un diacide et d'une diamine forme une liaison amide –CO–NH–\text{–CO–NH–}, en tout point identique à la liaison peptidique des protéines naturelles.

Pour calculer la masse molaire du motif d'un polyester obtenu par polycondensation d'un diacide et d'un diol, il faut :

Explication : Oublier de soustraire les molécules d'eau éliminées est l'erreur la plus fréquente et la plus sanctionnée au bac dans ce type de calcul.

On fait réagir 2,00 mol2{,}00\ \text{mol} d'acide téréphtalique avec 2,00 mol2{,}00\ \text{mol} d'éthane-1,2-diol (motif de PET, M0=192,0 g⋅mol−1M_0 = 192{,}0\ \text{g·mol}^{-1}). Quelle masse de PET est formée ?

Explication : Un diacide et un diol donnent un motif : 2,00 mol2{,}00\ \text{mol} de motifs se forment.
m(PET)=2,00×192,0=384 gm(\text{PET}) = 2{,}00\times192{,}0 = 384\ \text{g}.

Un fil de nylon 6-6 a une masse molaire moyenne M‾=67 800 g⋅mol−1\overline{M} = 67\,800\ \text{g·mol}^{-1} (motif M0=226,0 g⋅mol−1M_0 = 226{,}0\ \text{g·mol}^{-1}). Quel est son degré de polymérisation nn ?

Explication : n=M‾M0=67 800226,0=300n = \dfrac{\overline{M}}{M_0} = \dfrac{67\,800}{226{,}0} = 300.

Un thermoplastique, chauffé puis refroidi plusieurs fois, se comporte de la façon suivante :

Explication : Les chaînes linéaires ou ramifiées d'un thermoplastique ne sont retenues entre elles que par des forces de Van der Waals, faibles et réversibles : le matériau ramollit à chaud, durcit à froid, et peut être remoulé.

Pourquoi la bakélite, une fois moulée, ne peut-elle plus jamais être refondue ?

Explication : La bakélite est un thermodurcissable : sa polycondensation très réticulée crée un unique réseau covalent tridimensionnel. Chauffer ne peut rompre que des liaisons covalentes, donc décomposer l'objet — jamais « refondre » un réseau.

La vulcanisation du caoutchouc naturel consiste à :

Explication : Découverte par Goodyear en 1839, la vulcanisation est une réticulation partielle, juste assez lâche pour laisser les chaînes s'étirer réversiblement — le principe même de l'élastomère.

En dessous de sa température de transition vitreuse TgT_g, les zones amorphes d'un polymère sont :

Explication : Sous TgT_g, les zones amorphes deviennent vitreuses et cassantes ; au-dessus, elles redeviennent souples (état caoutchoutique).

Ajouter un plastifiant à du PVC rigide a pour effet de :

Explication : Le plastifiant écarte les chaînes les unes des autres sans créer de liaison covalente : les interactions de Van der Waals s'affaiblissent, TgT_g diminue, et le PVC devient souple à température ambiante — comme dans un tuyau d'arrosage.

Le recyclage par simple fusion (refonte) n'est possible que pour :

Explication : Seuls les thermoplastiques peuvent être refondus sans se décomposer, car leurs chaînes ne sont liées entre elles que par des interactions faibles : c'est pourquoi les codes de recyclage (1 à 7) ne concernent que cette famille.

Un polymère est facilement biodégradable par des enzymes lorsqu'il contient principalement des liaisons :

Explication : Les enzymes reconnaissent des liaisons précises (ester, amide, glycosidique) présentes dans les polyesters, polyamides et polysaccharides naturels, mais restent impuissantes face au squelette C–C du PE, du PVC ou du PP.

L'incinération du PVC est plus réglementée que celle du polyéthylène, car sa combustion libère en plus :

Explication : Le motif du PVC contient du chlore : 2 C2H3Cl+5 O2→4 CO2+2 H2O+2 HCl2\,\text{C}_2\text{H}_3\text{Cl} + 5\,\text{O}_2 \to 4\,\text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O} + 2\,\text{HCl}. Cette production de HCl\text{HCl} exige des installations spécialisées avec neutralisation des fumées.

La cellulose et l'amidon ont exactement le même motif de départ (le glucose), mais des propriétés très différentes. Cela s'explique par :

Explication : La différence tient uniquement à la géométrie de la liaison –O–\text{–O–} : chaînes linéaires et fibres résistantes pour la cellulose, chaînes en hélice digestibles pour l'amidon.

Un sac en PLA (acide polylactique), présenté comme biodégradable, est abandonné en pleine nature, sans aucun compostage industriel. Que se passe-t-il réellement ?

Explication : « Biodégradable » ne signifie pas « disparaît n'importe où » : sans filière de compostage industriel réelle, le PLA n'apporte pas d'avantage environnemental concret par rapport à un plastique classique.

Un morceau de sac en polyéthylène de masse 7,0 g7{,}0\ \text{g} brûle complètement (M0(C2H4)=28,0 g⋅mol−1M_0(\text{C}_2\text{H}_4) = 28{,}0\ \text{g·mol}^{-1}, M(CO2)=44,0 g⋅mol−1M(\text{CO}_2) = 44{,}0\ \text{g·mol}^{-1}). Quelle masse de CO2\text{CO}_2 est libérée ?

Explication : C2H4+3 O2→2 CO2+2 H2O\text{C}_2\text{H}_4 + 3\,\text{O}_2 \to 2\,\text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}
n(C2H4)=7,028,0=0,25 moln(\text{C}_2\text{H}_4) = \dfrac{7{,}0}{28{,}0} = 0{,}25\ \text{mol}
n(CO2)=2×0,25=0,50 moln(\text{CO}_2) = 2\times0{,}25 = 0{,}50\ \text{mol}
m(CO2)=0,50×44,0=22,0 gm(\text{CO}_2) = 0{,}50\times44{,}0 = 22{,}0\ \text{g}.

Un échantillon de PMMA de masse mm a un degré de polymérisation moyen nn et un motif de masse molaire M0M_0. Pour calculer la quantité de matière de chaînes macromoléculaires (et non de motifs) contenues dans l'échantillon, il faut diviser mm par :

Explication : Diviser mm par M0M_0 donnerait la quantité de motifs, pas de chaînes. Pour compter les macromolécules entières, il faut leur masse molaire moyenne M‾=n×M0\overline{M} = n\times M_0 : nchaıˆnes=mM‾n_{\text{chaînes}} = \dfrac{m}{\overline{M}}.
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