Un polymère célèbre au programme de spécialité
L'exercice 4 du bac S Polynésie rattrapage 2008 est l'exercice de spécialité, noté sur 4 points (environ 52 minutes). Il porte sur le nylon-6,6, polyamide breveté en 1937 et obtenu par polycondensation entre l'hexane-1,6-diamine et un dérivé de l'acide hexanedioïque. On y retrouve la lecture de formules, un calcul de degré de polymérisation, l'analyse d'un protocole de synthèse interfaciale et une question de recyclage.
Partie 1 : polymère et monomères
Le groupe amide
Dans la formule du nylon-6,6, le groupe amide associe un carbone doublement lié à un oxygène et un azote voisin : il s'écrit −CO−NH−. Le piège est d'entourer seulement le carbonyle ou seulement le groupe NH : le groupe amide réunit les deux, liés directement l'un à l'autre.
Le monomère diamine
Le nom hexane-1,6-diamine se lit de droite à gauche : « hexane » indique une chaîne de six atomes de carbone, « 1,6-diamine » un groupe amine −NH2 sur le carbone 1 et un autre sur le carbone 6. La formule est donc H2N−(CH2)6−NH2.
La petite molécule éliminée
Chaque groupe carboxyle du diacide réagit avec un groupe amine de la diamine pour former un groupe amide : la petite molécule éliminée est l'eau. Au laboratoire, avec le dichlorure d'hexanedioyle, c'est du chlorure d'hydrogène qui est éliminé.
Chromatographie et degré de polymérisation
En chromatographie, un éluant entraîne les espèces d'un mélange le long d'un support ; chacune migre plus ou moins vite selon son affinité pour la phase mobile et la phase fixe, ce qui permet de les séparer puis de les identifier. Le motif contient 12 atomes de carbone, 22 d'hydrogène, 2 d'oxygène et 2 d'azote : sa masse molaire vaut 226 g/mol. Oublier les carbones des groupes CO conduit à 10 carbones seulement. Avec une masse molaire de 1,2 × 105 g/mol, on obtient n ≈ 5,3 × 102 motifs ; la donnée ayant deux chiffres significatifs, écrire 531 serait trop précis.
Partie 2 : la synthèse du nylon
Le dichlorure d'hexanedioyle est dissous dans le dichlorométhane, insoluble dans l'eau, et la diamine dans l'eau : les deux solutions forment deux phases. La phase organique, de densité voisine de 1,3, est plus dense que la phase aqueuse, de densité voisine de 1 : on la verse d'abord, puis on verse doucement l'autre par-dessus. Les réactifs ne se rencontrent qu'à la surface de séparation des deux liquides : c'est une polycondensation interfaciale. Le nylon, qui fond à 263 °C, est obtenu à l'état solide. La phénolphtaléine rose dans la solution aqueuse indique un pH supérieur à 8,2 : la solution de diamine est basique. Le lavage élimine les restes de réactifs, l'étuve sert au séchage du fil.
Partie 3 : recyclage et rendement
L'ammonolyse utilise l'ammoniac en excès ; le catalyseur au phosphate accélère la dépolymérisation sans améliorer le rendement. Évacuer l'eau, produit de la transformation, maintient le quotient de réaction inférieur à la constante d'équilibre : l'équilibre se déplace vers la formation des monomères. Avec 1 000 tonnes traitées et un rendement de 18 %, l'unité produirait 1,8 × 102 tonnes de monomère par an ; c'est une estimation haute, car les tapis contiennent aussi du polypropylène.
Conseils
Comptez les atomes avec méthode et distinguez vitesse de réaction et état final.