POLYMÈRES: HISTOIRE, POLYMÉRISATION, TYPES, PROPRIÉTÉS - CHIMIE - 2025

Les polymères sont des composés moléculaires caractérisés par une masse molaire élevée (allant de milliers à des millions) et constitués d'un grand nombre d'unités, appelées monomères, qui se répètent.

Parce qu'elles ont la particularité d'être de grosses molécules, ces espèces sont appelées macromolécules, ce qui leur confère des qualités uniques très différentes de celles observées chez les plus petites, uniquement attribuables à ce type de substances, comme la propension qu'elles ont pour façonner des structures en verre.

De la même manière, comme ils appartiennent à un très grand groupe de molécules, il est apparu nécessaire de leur accorder une classification, pour laquelle ils sont divisés en deux types: les polymères d'origine naturelle, tels que les protéines et les acides nucléiques; et ceux de fabrication synthétique, comme le nylon ou la lucite (mieux connu sous le nom de plexiglas).

Les chercheurs ont commencé leurs recherches sur la science des polymères dans les années 1920, lorsqu'ils ont observé avec curiosité et stupéfaction le comportement de substances telles que le bois ou le caoutchouc. Ainsi, les scientifiques de l'époque se sont consacrés à l'analyse de ces composés si présents dans la vie quotidienne.

En atteignant un certain niveau de compréhension sur la nature de ces espèces, il a été possible de comprendre leur structure et d'avancer dans la création de macromolécules qui pourraient faciliter le développement et l'amélioration des matériaux existants, ainsi que la production de nouveaux matériaux.

De même, on sait que de nombreux polymères significatifs contiennent dans leur structure des atomes d'azote ou d'oxygène, liés à des atomes de carbone, faisant partie de la chaîne principale de la molécule.

En fonction des principaux groupes fonctionnels faisant partie des monomères, leur nom leur sera attribué; par exemple, si le monomère est formé par un ester, un polyester est créé.

Histoire des polymères

L'histoire des polymères doit être abordée à partir de références aux premiers polymères connus.

Ainsi, certains matériaux d'origine naturelle largement utilisés depuis l'Antiquité (comme la cellulose ou le cuir) sont majoritairement constitués de polymères.

XIXème siècle

Contrairement à ce que l'on pourrait penser, la composition des polymères était une inconnue jusqu'à il y a quelques siècles, quand on a commencé à déterminer comment ces substances se formaient, et ils ont même cherché à établir une méthode pour réaliser une fabrication artificielle.

Le terme «polymères» a été utilisé pour la première fois en 1833, grâce au chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius, qui l'a utilisé pour désigner des substances de nature organique qui ont la même formule empirique mais ont des masses molaires différentes.

Ce scientifique était également chargé d'inventer d'autres termes, tels que «isomère» ou «catalyse»; mais il faut noter qu'à cette époque le concept de ces expressions était complètement différent de ce qu'elles signifient aujourd'hui.

Après quelques expériences pour obtenir des polymères synthétiques à partir de la transformation d'espèces polymériques naturelles, l'étude de ces composés acquiert une plus grande pertinence.

Le but de ces recherches était de parvenir à l'optimisation des propriétés déjà connues de ces polymères et à l'obtention de nouvelles substances susceptibles de remplir des objectifs spécifiques dans différents domaines scientifiques.

XXe siècle

Constatant que le caoutchouc était soluble dans un solvant de nature organique et que la solution résultante présentait alors des caractéristiques inhabituelles, les scientifiques étaient inquiets et ne savaient pas comment les expliquer.

Grâce à ces observations, ils ont déduit que de telles substances présentent un comportement très différent de celui des molécules plus petites, comme ils ont pu l'observer en étudiant le caoutchouc et ses propriétés.

Ils ont noté que la solution étudiée avait une viscosité élevée, une diminution significative du point de congélation et une faible pression osmotique; On pouvait en déduire qu'il y avait plusieurs solutés de masse molaire très élevée, mais les chercheurs ont refusé de croire à cette possibilité.

Ces phénomènes, qui se manifestaient également dans certaines substances comme la gélatine ou le coton, ont fait penser aux scientifiques de l'époque que ces types de substances étaient constitués d'agrégats de petites unités moléculaires, comme le C ₅ H ₈ ou le C _10. H ₁₆, lié par des forces intermoléculaires.

Bien que cette pensée erronée soit restée pendant quelques années, la définition qui persiste à ce jour est celle que lui a donnée le chimiste allemand et lauréat du prix Nobel de chimie, Hermann Staudinger.

XXI siècle

La définition actuelle de ces structures en tant que substances macromoléculaires liées par des liaisons covalentes a été inventée en 1920 par Staudinger, qui a insisté pour concevoir et mener des expériences jusqu'à ce qu'il trouve des preuves de cette théorie au cours des dix prochaines années.

Le développement de la soi-disant «chimie des polymères» a commencé et depuis lors, il ne fait que capter l'intérêt des chercheurs du monde entier, comptant parmi les pages de son histoire des scientifiques très importants, dont Giulio Natta, Karl Ziegler, Charles Goodyear, entre autres, en plus de ceux précédemment nommés.

À l'heure actuelle, les macromolécules polymères sont étudiées dans différents domaines scientifiques, tels que la science des polymères ou la biophysique, où des substances résultant de la liaison de monomères par des liaisons covalentes avec différentes méthodes et objectifs sont étudiées.

Certes, des polymères naturels comme le polyisoprène à ceux d'origine synthétique comme le polystyrène, ils sont très fréquemment utilisés, sans pour autant diminuer l'importance d'autres espèces comme les silicones, constituées de monomères à base de silicium.

Aussi, une grande partie de ces composés d'origine naturelle et synthétique sont constitués de deux ou plusieurs classes différentes de monomères, ces espèces polymériques ont reçu le nom de copolymères.

Polymérisation

Pour approfondir le sujet des polymères, il faut commencer par parler de l'origine du mot polymère, qui vient des termes grecs polys, qui signifie «beaucoup»; et simple, qui se réfère aux «parties» de quelque chose.

Ce terme est utilisé pour désigner des composés moléculaires qui ont une structure composée de nombreuses unités répétitives, ce qui provoque la propriété d'une masse moléculaire relative élevée et d'autres caractéristiques intrinsèques de ceux-ci.

Ainsi, les unités qui composent les polymères sont basées sur des espèces moléculaires qui ont une masse moléculaire relative relativement faible.

Dans cet esprit, le terme polymérisation ne s'applique qu'aux polymères synthétiques, plus précisément aux procédés mis en oeuvre pour obtenir ce type de macromolécules.

Par conséquent, la polymérisation peut être définie comme la réaction chimique qui est utilisée dans la combinaison de monomères (un à la fois) pour, à partir de ceux-ci, produire les polymères correspondants.

Ainsi, la synthèse des polymères s'effectue au travers de deux types principaux de réactions: les réactions d'addition et les réactions de condensation, qui seront décrites en détail ci-dessous.

Polymérisation par réactions d'addition

Ce type de polymérisation a la participation de molécules insaturées qui ont des doubles ou triples liaisons dans leur structure, en particulier celles de carbone-carbone.

Dans ces réactions, les monomères subissent des combinaisons les uns avec les autres sans élimination d'aucun de leurs atomes, où les espèces polymériques synthétisées par rupture ou ouverture du cycle peuvent être obtenues sans générer l'élimination de petites molécules.

D'un point de vue cinétique, cette polymérisation peut être vue comme une réaction en trois étapes: initiation, propagation et terminaison.

Tout d'abord, l'initiation de la réaction se produit, dans laquelle un chauffage est appliqué à une molécule considérée comme un initiateur (notée R ₂) pour générer deux espèces radicalaires comme suit:

R ₂ → 2R ∙

Si la production de polyéthylène est utilisée à titre d'exemple, l'étape suivante est la propagation, où le radical réactif formé s'attaque à une molécule d'éthylène et une nouvelle espèce radicalaire se forme comme suit:

R ∙ + CH ₂ = CH ₂ → R - CH ₂ –CH ₂ ∙

Ce nouveau radical est ensuite combiné avec une autre molécule d'éthylène, et ce processus se poursuit successivement jusqu'à l'association de deux radicaux à longue chaîne pour finalement donner naissance au polyéthylène, dans la réaction dite de terminaison.

Polymérisation par réactions de condensation

Dans le cas d'une polymérisation par des réactions de condensation, la combinaison de deux monomères différents se produit généralement, en plus de l'élimination consécutive d'une petite molécule, qui est généralement de l'eau.

De même, les polymères produits par ces réactions ont souvent des hétéroatomes, tels que l'oxygène ou l'azote, dans leur squelette. Il arrive également que le motif répétitif qui représente la base de sa chaîne ne possède pas tous les atomes qui se trouvent dans le monomère vers lequel il pourrait être dégradé.

D'autre part, il existe des méthodes qui ont été développées plus récemment, parmi lesquelles la polymérisation plasma se distingue, dont les caractéristiques ne concordent parfaitement avec aucun des types de polymérisation expliqués ci-dessus.

De cette manière, des réactions de polymérisation d'origine synthétique, à la fois celles d'addition et de condensation, peuvent se produire en l'absence ou en présence d'une espèce catalytique.

La polymérisation par condensation est largement utilisée dans la fabrication de nombreux composés que l'on trouve couramment dans la vie quotidienne, tels que le dacron (mieux connu sous le nom de polyester) ou le nylon.

Autres formes de polymérisation

En plus de ces méthodes de synthèse de polymères artificiels, il y a aussi la synthèse biologique, qui est définie comme le domaine d'étude responsable de la recherche de biopolymères, qui se divisent en trois grandes catégories: les polynucléotides, les polypeptides et les polysaccharides.

Dans les organismes vivants, la synthèse peut être effectuée naturellement, par des procédés qui impliquent la présence de catalyseurs tels que l'enzyme polymérase dans la production de polymères tels que l'acide désoxyribonucléique (ADN).

Dans d'autres cas, la plupart des enzymes utilisées dans la polymérisation biochimique sont des protéines, qui sont des polymères formés à base d'acides aminés et qui sont essentiels dans la grande majorité des processus biologiques.

En plus des substances biopolymères obtenues par ces procédés, il en existe d'autres d'une grande importance commerciale, comme le caoutchouc vulcanisé qui est produit en chauffant du caoutchouc d'origine naturelle en présence de soufre.

Ainsi, parmi les techniques utilisées pour la synthèse de polymères par modification chimique de polymères d'origine naturelle, on trouve la finition, la réticulation et l'oxydation.

Types de polymères

Les types de polymères peuvent être classés selon différentes caractéristiques; par exemple, ils sont classés en thermoplastiques, thermodurcissables ou élastomères en fonction de leur réponse physique au chauffage.

En outre, selon le type de monomères à partir desquels ils sont formés, ils peuvent être des homopolymères ou des copolymères.

De même, selon le type de polymérisation par lequel ils sont produits, il peut s'agir de polymères d'addition ou de condensation.

De même, des polymères naturels ou synthétiques peuvent être obtenus selon leur origine; ou organique ou inorganique selon sa composition chimique.

Propriétés

- Sa caractéristique la plus notable est l'identité répétitive de ses monomères comme base de sa structure.

- Ses propriétés électriques varient en fonction de sa destination.

- Ils présentent des propriétés mécaniques telles que l'élasticité ou la résistance à la traction, qui définissent leur comportement macroscopique.

- Certains polymères présentent des propriétés optiques importantes.

- La microstructure dont ils disposent affecte directement leurs autres propriétés.

- Les caractéristiques chimiques des polymères sont déterminées par les interactions attractives entre les chaînes qui les forment.

- Ses propriétés de transport sont relatives à la vitesse du mouvement intermoléculaire.

- Le comportement de ses états d'agrégation est lié à sa morphologie.

Exemples de polymères

Parmi le grand nombre de polymères qui existent, on trouve les suivants:

Polystyrène

Utilisé dans des conteneurs de différents types, ainsi que dans des conteneurs qui sont utilisés comme isolants thermiques (pour refroidir l'eau ou stocker de la glace) et même dans les jouets.

Polytétrafluoroéthylène

Mieux connu sous le nom de Téflon, il est utilisé comme isolant électrique, également dans la fabrication de rouleaux et pour enduire les ustensiles de cuisine.

Chlorure de polyvinyle

Utilisé dans la production de canaux muraux, de carreaux, de jouets et de tuyaux, ce polymère est connu dans le commerce sous le nom de PVC.

Références

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