Un composé macromoléculaire est Définition, composition, caractéristiques, propriétés

2024 Auteur: Angel Austin | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-02 17:46

Les composés de haut poids moléculaire sont des polymères qui ont un poids moléculaire élevé. Ils peuvent être des composés organiques et inorganiques. Faites la distinction entre les substances amorphes et cristallines, constituées d'anneaux monomères. Ces dernières sont des macromolécules reliées par des liaisons chimiques et de coordination. En termes simples, un composé de haut poids moléculaire est un polymère, c'est-à-dire des substances monomères qui ne changent pas de masse lorsque la même substance "lourde" leur est attachée. Sinon, on parlera de l'oligomère.

Qu'étudie la science des composés macromoléculaires ?

La chimie des polymères macromoléculaires est l'étude de chaînes moléculaires constituées de sous-unités monomériques. Cela couvre un immense domaine de recherche. De nombreux polymères ont une importance industrielle et commerciale significative. En Amérique, parallèlement à la découverte du gaz naturel, un grand projet a été lancé pour construire une usine de production de polyéthylène. L'éthane du gaz naturel est convertien éthylène, le monomère à partir duquel le polyéthylène peut être fabriqué.

Un polymère en tant que composé macromoléculaire est:

• Toute classe de substances naturelles ou synthétiques composées de très grosses molécules appelées macromolécules.
• Beaucoup d'unités chimiques plus simples appelées monomères.
• Les polymères constituent de nombreux matériaux dans les organismes vivants, y compris, par exemple, les protéines, la cellulose et les acides nucléiques.
• En outre, ils constituent la base de minéraux tels que le diamant, le quartz et le feldspath, ainsi que de matériaux synthétiques tels que le béton, le verre, le papier, les plastiques et les caoutchoucs.

Le mot "polymère" désigne un nombre indéfini d'unités monomères. Lorsque la quantité de monomères est très élevée, le composé est parfois appelé haut polymère. Il n'est pas limité aux monomères ayant la même composition chimique ou le même poids moléculaire et la même structure. Certains composés organiques naturels de poids moléculaire élevé sont composés d'un seul type de monomère.

Cependant, la plupart des polymères naturels et synthétiques sont formés à partir de deux ou plusieurs types de monomères différents; ces polymères sont connus sous le nom de copolymères.

Substances naturelles: quel est leur rôle dans nos vies ?

Les composés organiques de poids moléculaire élevé jouent un rôle crucial dans la vie des gens, fournissant des matériaux structurels de base et participant aux processus vitaux.

• Par exemple, les parties solides de toutes les plantes sont constituées de polymères. Ceux-ci incluent la cellulose, la lignine et diverses résines.
• La pulpe estpolysaccharide, un polymère composé de molécules de sucre.
• La lignine est formée d'un réseau tridimensionnel complexe de polymères.
• Les résines d'arbres sont des polymères d'un hydrocarbure simple, l'isoprène.
• Un autre polymère d'isoprène familier est le caoutchouc.

D'autres polymères naturels importants comprennent les protéines, qui sont des polymères d'acides aminés, et les acides nucléiques. Ce sont des types de nucléotides. Ce sont des molécules complexes composées de bases azotées, de sucres et d'acide phosphorique.

Les acides nucléiques transportent l'information génétique dans la cellule. Les amidons, source importante d'énergie alimentaire issue des végétaux, sont des polymères naturels composés de glucose.

La chimie des composés macromoléculaires libère des polymères inorganiques. On les trouve également dans la nature, notamment le diamant et le graphite. Les deux sont en carbone. Bon à savoir:

• Dans un diamant, les atomes de carbone sont connectés dans un réseau tridimensionnel qui donne au matériau sa dureté.
• Dans le graphite, utilisé comme lubrifiant et dans les "mines" des crayons, les atomes de carbone se lient dans des plans qui peuvent glisser les uns sur les autres.

De nombreux polymères importants contiennent des atomes d'oxygène ou d'azote ainsi que des atomes de carbone dans le squelette. Ces matériaux macromoléculaires contenant des atomes d'oxygène comprennent les polyacétals.

Le polyacétal le plus simple est le polyformaldéhyde. Il a un point de fusion élevé, est cristallin, résistant à l'abrasion etl'action des solvants. Les résines acétal ressemblent davantage à du métal que tout autre plastique et sont utilisées dans la fabrication de pièces de machines telles que des engrenages et des roulements.

Substances obtenues artificiellement

Les composés macromoléculaires synthétiques sont produits dans différents types de réactions:

1. De nombreux hydrocarbures simples tels que l'éthylène et le propylène peuvent être convertis en polymères en ajoutant un monomère après l'autre à la chaîne en croissance.
2. Le polyéthylène, composé de monomères d'éthylène répétitifs, est un polymère additif. Il peut avoir jusqu'à 10 000 monomères connectés en longues chaînes hélicoïdales. Le polyéthylène est cristallin, translucide et thermoplastique, ce qui signifie qu'il se ramollit lorsqu'il est chauffé. Il est utilisé pour les revêtements, les emballages, les pièces moulées, les bouteilles et les récipients.
3. Le polypropylène est également cristallin et thermoplastique, mais plus dur que le polyéthylène. Ses molécules peuvent être constituées de 50 000 à 200 000 monomères.

Ce composé est utilisé dans l'industrie textile et pour le moulage.

Les autres polymères additifs incluent:

• polybutadiène;
• polyisoprène;
• polychloroprène.

Tous sont importants dans la production de caoutchoucs synthétiques. Certains polymères, comme le polystyrène, sont vitreux et transparents à température ambiante, et sont également thermoplastiques:

1. Le polystyrène peut être teint de n'importe quelle couleur et est utilisé dans la fabrication de jouets et d'autres plastiquesarticles.
2. Lorsqu'un atome d'hydrogène dans l'éthylène est remplacé par un atome de chlore, il se forme du chlorure de vinyle.
3. Il polymérise en chlorure de polyvinyle (PVC), un matériau thermoplastique incolore, dur et rigide qui peut être transformé en plusieurs formes, y compris des mousses, des films et des fibres.
4. L'acétate de vinyle, produit par la réaction entre l'éthylène et l'acide acétique, se polymérise en résines souples amorphes utilisées comme revêtements et adhésifs.
5. Il copolymérise avec le chlorure de vinyle pour former une grande famille de matériaux thermoplastiques.

Un polymère linéaire caractérisé par la répétition de groupes ester le long de la chaîne principale est appelé polyester. Les polyesters à chaîne ouverte sont des matériaux incolores, cristallins et thermoplastiques. Ces composés macromoléculaires synthétiques qui ont un poids moléculaire élevé (de 10 000 à 15 000 molécules) sont utilisés dans la production de films.

Polyamides synthétiques rares

Les polyamides comprennent les protéines de caséine naturelles présentes dans le lait et la zéine présente dans le maïs, qui sont utilisées pour fabriquer des plastiques, des fibres, des adhésifs et des revêtements. A noter:

• Les polyamides synthétiques comprennent les résines urée-formaldéhyde, qui sont thermodurcissables. Ils sont utilisés pour fabriquer des objets moulés et comme adhésifs et revêtements pour les textiles et le papier.
• Les résines polyamides connues sous le nom de nylon sont également importantes. Ils sontdurable, résistant à la chaleur et à l'abrasion, non toxique. Ils peuvent être teints. Son utilisation la plus connue est celle des fibres textiles, mais elles ont de nombreuses autres utilisations.

Une autre famille importante de composés chimiques synthétiques de poids moléculaire élevé consiste en des répétitions linéaires du groupe uréthane. Les polyuréthanes sont utilisés dans la fabrication de fibres élastomères connues sous le nom de spandex et dans la fabrication de couches de base.

Une autre classe de polymères est constituée de composés mixtes organiques-inorganiques:

1. Les représentants les plus importants de cette famille de polymères sont les silicones. Les composés de poids moléculaire élevé contiennent des atomes de silicium et d'oxygène en alternance avec des groupes organiques attachés à chacun des atomes de silicium.
2. Les silicones de faible poids moléculaire sont des huiles et des graisses.
3. Les espèces de poids moléculaire plus élevé sont des matériaux élastiques polyvalents qui restent souples même à très basse température. Ils sont également relativement stables à des températures élevées.

Le polymère peut être tridimensionnel, bidimensionnel et unique. Les unités répétitives sont souvent composées de carbone et d'hydrogène, et parfois d'oxygène, d'azote, de soufre, de chlore, de fluor, de phosphore et de silicium. Pour créer une chaîne, de nombreuses unités sont chimiquement liées ou polymérisées ensemble, modifiant ainsi les caractéristiques des composés de haut poids moléculaire.

Quelles sont les caractéristiques des substances macromoléculaires ?

La plupart des polymères produits sont thermoplastiques. Aprèsle polymère est formé, il peut être chauffé et reformé à nouveau. Cette propriété le rend facile à manipuler. Un autre groupe de thermodurcissables ne peut pas être refondu: une fois les polymères formés, le réchauffage se décompose mais ne fond pas.

Caractéristiques des composés macromoléculaires des polymères sur l'exemple des emballages:

1. Peut être très résistant aux produits chimiques. Considérez tous les liquides de nettoyage de votre maison qui sont emballés dans du plastique. Décrit toutes les conséquences du contact avec les yeux, mais la peau. Il s'agit d'une catégorie dangereuse de polymères qui dissout tout.
2. Alors que certains plastiques sont facilement déformés par les solvants, d'autres plastiques sont placés dans des emballages incassables pour les solvants agressifs. Ils ne sont pas dangereux, mais ne peuvent nuire qu'aux humains.
3. Les solutions de composés macromoléculaires sont le plus souvent fournies dans de simples sacs en plastique pour réduire le pourcentage de leur interaction avec les substances à l'intérieur du récipient.

En règle générale, les polymères sont très légers avec un degré de résistance significatif. Envisagez une gamme d'utilisations, des jouets à la structure du cadre des stations spatiales, ou de la fine fibre de nylon dans les collants au Kevlar utilisé dans les gilets pare-balles. Certains polymères flottent dans l'eau, d'autres coulent. Comparés à la densité de la pierre, du béton, de l'acier, du cuivre ou de l'aluminium, tous les plastiques sont des matériaux légers.

Les propriétés des composés macromoléculaires sont différentes:

1. Les polymères peuvent servir d'isolants thermiques et électriques: appareils, cordons, prises électriques et câbles fabriqués ou recouverts de matériaux polymères.
2. Appareils de cuisine résistants à la chaleur avec poignées en résine pour casseroles et poêles, poignées de cafetière, mousse pour réfrigérateur et congélateur, tasses isothermes, glacières et ustensiles allant au micro-ondes.
3. Les sous-vêtements thermiques portés par de nombreux skieurs sont en polypropylène, tandis que les fibres des vestes d'hiver sont en acrylique et en polyester.

Les composés de haut poids moléculaire sont des substances avec une gamme illimitée de caractéristiques et de couleurs. Ils ont de nombreuses propriétés qui peuvent être encore améliorées avec une large gamme d'additifs pour étendre l'application. Les polymères peuvent servir de base pour imiter le coton, la soie et la laine, la porcelaine et le marbre, l'aluminium et le zinc. Dans l'industrie alimentaire, ils sont utilisés pour conférer aux champignons des propriétés comestibles. Par exemple, fromage bleu cher. Il peut être consommé en toute sécurité grâce au traitement des polymères.

Traitement et application de structures polymères

Les polymères peuvent être traités de différentes manières:

• L'extrusion permet la production de fibres fines ou de tubes massifs lourds, de films, de bouteilles alimentaires.
• Le moulage par injection permet de créer des pièces complexes, telles que de grandes pièces de carrosserie.
• Les plastiques peuvent être coulés dans des fûts ou mélangés à des solvants pour devenir des bases adhésives ou des peintures.
• Les élastomères et certains plastiques sont extensibles et flexibles.
• Certains plastiques se dilatent pendant le traitement pour conserver leur forme, comme les bouteilles d'eau potable.
• D'autres polymères peuvent être expansés, comme le polystyrène, le polyuréthane et le polyéthylène.

Les propriétés des composés macromoléculaires varient en fonction de l'action mécanique et de la méthode d'obtention de la substance. Cela permet de les appliquer dans diverses industries. Les principaux composés macromoléculaires ont un éventail d'objectifs plus large que ceux qui diffèrent par des propriétés particulières et des méthodes de préparation. Universels et "fantaisistes" "se retrouvent" dans les secteurs de l'alimentation et de la construction:

1. Les composés de poids moléculaire élevé sont constitués d'huile, mais pas toujours.
2. De nombreux polymères sont fabriqués à partir d'unités répétitives préalablement formées à partir de gaz naturel, de charbon ou de pétrole brut.
3. Certains matériaux de construction sont fabriqués à partir de matériaux renouvelables tels que l'acide polylactique (issu du maïs ou de la cellulose et des linters de coton).

Il est également intéressant de noter qu'ils sont presque impossibles à remplacer:

• Les polymères peuvent être utilisés pour fabriquer des articles qui n'ont pas d'autres matériaux alternatifs.
• Ils sont transformés en films imperméables transparents.
• Le PVC est utilisé pour fabriquer des tubulures médicales et des poches de sang qui prolongent la durée de conservation du produit et de ses dérivés.
• Le PVC fournit en toute sécurité de l'oxygène inflammable à des tubes flexibles ininflammables.
• Et les matériaux anti-thrombogéniques tels que l'héparine peuvent être inclus dans la catégorie des cathéters flexibles en PVC.

De nombreux dispositifs médicaux se concentrent sur les caractéristiques structurelles des composés macromoléculaires pour assurer un fonctionnement efficace.

Solutions de substances macromoléculaires et leurs propriétés

Parce que la taille de la phase dispersée est difficile à mesurer et que les colloïdes se présentent sous forme de solutions, ils identifient et caractérisent parfois les propriétés physico-chimiques et de transport.

Phase colloïdale	Dur	Solution propre	Indicateurs dimensionnels
	Si le colloïde est constitué d'une phase solide dispersée dans un liquide, les particules solides ne diffuseront pas à travers la membrane.	Les ions ou molécules dissous se diffusent à travers la membrane à pleine diffusion.	En raison de l'exclusion liée à la taille, les particules colloïdales ne peuvent pas traverser les pores de la membrane UF plus petits que leur propre taille.
Concentration dans la composition des solutions de composés macromoléculaires	La concentration exacte du soluté réel dépendra des conditions expérimentales utilisées pour le séparer des particules colloïdales également dispersées dans le liquide.	Dépend de la réaction des composés macromoléculaires lors de la réalisation d'études de solubilité pour des substances facilement hydrolysées telles que Al, Eu, Am, Cm.	Plus la taille des pores de la membrane d'ultrafiltration est petite, plus la concentration est faibleparticules colloïdales dispersées restant dans le liquide ultrafiltré.

Un hydrocolloïde est défini comme un système colloïdal dans lequel les particules de molécules macromoléculaires sont des polymères hydrophiles dispersés dans l'eau.

Dépendance à l'eau	Dépendance à la chaleur	Dépendance à la méthode de production
Les hydrocolloïdes sont des particules colloïdales dispersées dans l'eau. Dans ce cas, le rapport des deux composants affecte la forme du polymère - gel, cendre, état liquide.	Les hydrocolloïdes peuvent être irréversibles (dans un état) ou réversibles. Par exemple, l'agar, un hydrocolloïde réversible d'extrait d'algue, peut exister à l'état gel et solide, ou alterner entre les états avec l'ajout ou l'élimination de la chaleur.	L'obtention de composés macromoléculaires, comme les hydrocolloïdes, dépend de sources naturelles. Par exemple, l'agar-agar et le carraghénane sont extraits d'algues, la gélatine est obtenue par hydrolyse de protéines bovines et de poisson, et la pectine est extraite d'écorces d'agrumes et de marc de pomme.
Les desserts à la gélatine, fabriqués à partir de poudre, ont un hydrocolloïde différent dans leur composition. Il est doté de moins de liquide.	Les hydrocolloïdes sont utilisés dans les aliments principalement pour modifier la texture ou la viscosité (par exemple, la sauce). Cependant, la consistance dépend déjà de la méthode de traitement thermique.	Les pansements médicaux à base d'hydrocolloïdes sont utilisés pour traiter la peau et les plaies. Àla fabrication est basée sur une technologie complètement différente, et les mêmes polymères sont utilisés.

Les autres principaux hydrocolloïdes sont la gomme xanthane, la gomme arabique, la gomme de guar, la gomme de caroube, les dérivés cellulosiques tels que la carboxyméthylcellulose, l'alginate et l'amidon.

Interaction de substances macromoléculaires avec d'autres particules

Les forces suivantes jouent un rôle important dans l'interaction des particules colloïdales:

• Répulsion sans égard au volume: il s'agit de l'absence de chevauchement entre les particules solides.
• Interaction électrostatique: les particules colloïdales portent souvent une charge électrique et s'attirent ou se repoussent donc. La charge des phases continue et dispersée, ainsi que la mobilité des phases, sont des facteurs affectant cette interaction.
• Forces de Van der Waals: elles sont dues à l'interaction entre deux dipôles, qui sont soit permanents, soit induits. Même si les particules n'ont pas de dipôle permanent, les fluctuations de densité électronique entraînent un dipôle temporaire dans la particule.
• Forces d'entropie. Selon la deuxième loi de la thermodynamique, le système entre dans un état dans lequel l'entropie est maximisée. Cela peut conduire à la création de forces efficaces même entre des sphères dures.
• Les forces stériques entre les surfaces revêtues de polymère ou dans des solutions contenant un analogue non adsorbant peuvent moduler les forces interparticulaires, créant une force répulsive stérique supplémentaire quiest principalement de nature entropique, ou une force d'épuisement entre les deux.

Ce dernier effet est recherché avec des superplastifiants spécialement formulés pour augmenter la maniabilité du béton et réduire sa teneur en eau.

Cristaux polymères: où les trouve-t-on, à quoi ressemblent-ils ?

Les composés de haut poids moléculaire comprennent même les cristaux, qui sont inclus dans la catégorie des substances colloïdales. Il s'agit d'un ensemble hautement ordonné de particules qui se forment à une très grande distance (généralement de l'ordre de quelques millimètres à un centimètre) et ressemblent à leurs homologues atomiques ou moléculaires.

Nom du colloïde transformé	Exemple de commande	Production
Opale précieuse	L'un des meilleurs exemples naturels de ce phénomène se trouve dans la couleur spectrale pure de la pierre	Ceci est le résultat de niches compactes de sphères de dioxyde de silicium colloïdal amorphe (SiO2)

Ces particules sphériques se déposent dans des réservoirs hautement siliciques. Ils forment des massifs très ordonnés après des années de sédimentation et de compression sous l'action des forces hydrostatiques et gravitationnelles. Des réseaux périodiques de particules sphériques submicrométriques fournissent des réseaux de vides interstitiels similaires qui agissent comme un réseau de diffraction naturel pour les ondes lumineuses visibles, en particulier lorsque l'espacement interstitiel est du même ordre de grandeur que l'onde lumineuse incidente.

Ainsi, il a été constaté qu'en raison de la répulsionLes interactions de Coulomb, les macromolécules chargées électriquement dans un milieu aqueux peuvent présenter des corrélations cristallines à longue portée avec des distances entre les particules souvent beaucoup plus grandes que le diamètre des particules individuelles.

Dans tous ces cas, les cristaux d'un composé macromoléculaire naturel ont la même irisation brillante (ou jeu de couleurs), qui peut être attribuée à la diffraction et à l'interférence constructive des ondes lumineuses visibles. Ils satisfont la loi de Bragg.

Un grand nombre d'expériences sur l'étude des soi-disant "cristaux colloïdaux" ont vu le jour à la suite de méthodes relativement simples développées au cours des 20 dernières années pour obtenir des colloïdes synthétiques monodispersés (à la fois polymères et minéraux). Grâce à divers mécanismes, la formation d'un ordre à long terme est réalisée et préservée.

Détermination du poids moléculaire

Le poids moléculaire est une propriété essentielle d'un produit chimique, en particulier pour les polymères. Selon le matériau de l'échantillon, différentes méthodes sont sélectionnées:

1. Le poids moléculaire ainsi que la structure moléculaire des molécules peuvent être déterminés à l'aide de la spectrométrie de masse. En utilisant la méthode d'infusion directe, des échantillons peuvent être injectés directement dans le détecteur pour confirmer la valeur d'un matériau connu ou fournir la caractérisation structurelle d'un inconnu.
2. Les informations sur le poids moléculaire des polymères peuvent être déterminées à l'aide d'une méthode telle que la chromatographie d'exclusion stérique pour la viscosité et la taille.
3. PourPour déterminer le poids moléculaire des polymères, il faut comprendre la solubilité d'un polymère donné.

La masse totale d'un composé est égale à la somme des masses atomiques individuelles de chaque atome de la molécule. La procédure se déroule selon la formule:

1. Déterminer la formule moléculaire de la molécule.
2. Utilisez le tableau périodique pour trouver la masse atomique de chaque élément d'une molécule.
3. Multiplier la masse atomique de chaque élément par le nombre d'atomes de cet élément dans la molécule.
4. Le nombre résultant est représenté par un indice à côté du symbole de l'élément dans la formule moléculaire.
5. Connectez toutes les valeurs ensemble pour chaque atome de la molécule.

Un exemple de calcul simple de faible poids moléculaire: pour trouver le poids moléculaire de NH_{3, la première étape consiste à trouver les masses atomiques de l'azote (N) et de l'hydrogène (H). Donc, H=1, 00794N=14, 0067.}

Ensuite, multipliez la masse atomique de chaque atome par le nombre d'atomes du composé. Il y a un atome d'azote (aucun indice n'est donné pour un atome). Il y a trois atomes d'hydrogène, comme indiqué par l'indice. Donc:

• Poids moléculaire d'une substance=(1 x 14,0067) + (3 x 1,00794)
• Poids moléculaires=14,0067 + 3,02382
• Résultat=17, 0305

Un exemple de calcul du poids moléculaire complexe Ca₃(PO₄)_{2 est une option de calcul plus complexe:}

D'après le tableau périodique, les masses atomiques de chaque élément:

• Ca=40, 078.
• P=30, 973761.
• O=15,9994.

La partie délicate consiste à déterminer combien de chaque atome se trouve dans le composé. Il y a trois atomes de calcium, deux atomes de phosphore et huit atomes d'oxygène. Si la partie jointe est entre parenthèses, multipliez l'indice qui suit immédiatement le caractère de l'élément par l'indice qui ferme les parenthèses. Donc:

• Poids moléculaire d'une substance=(40,078 x 3) + (30,97361 x 2) + (15,9994 x 8).
• Poids moléculaire après calcul=120, 234 + 61, 94722 + 127, 9952.
• Résultat=310, 18.

Les formes complexes des éléments sont calculées par analogie. Certains d'entre eux se composent de centaines de valeurs, de sorte que des machines automatisées sont maintenant utilisées avec une base de données de toutes les valeurs g/mol.