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Chapitre 3 – Plastiques et polymères — Exercices

Terminale Bac Pro | Physique-Chimie | Groupement 5 (Chimie)

Exercices Socle

Socle Exercice 1 – Vocabulaire de base

Associer chaque terme à sa définition :

TermeDéfinition
Monomère…
Polymère…
Matière plastique…
Degré de polymérisation…

Aide : macromolécule formée par répétition | petite molécule de base | matériau = polymère + additifs | nombre de monomères assemblés.

  • Monomère : petite molécule de base capable de se polymériser.
  • Polymère : macromolécule formée par la répétition de monomères.
  • Matière plastique : matériau composé d'un ou plusieurs polymères + additifs (colorants, plastifiants, stabilisants).
  • Degré de polymérisation (n) : nombre de monomères assemblés pour former la chaîne polymère.
Socle Exercice 2 – Identifier le code de recyclage

Sur des emballages, on trouve des codes de recyclage. Compléter le tableau :

CodePlastiqueUn usage courant
1 (PET)Polyéthylène téréphtalate…
2 (PEHD)Polyéthylène haute densité…
3 (PVC)Polychlorure de vinyle…
5 (PP)Polypropylène…
6 (PS)Polystyrène…
  • PET : bouteilles d'eau, emballages alimentaires.
  • PEHD : bidons, réservoirs, tubes d'eau.
  • PVC : tuyaux, fenêtres, câbles électriques.
  • PP : boîtes alimentaires, pièces automobiles.
  • PS : barquettes, gobelets, isolation (polystyrène expansé).
Socle Exercice 3 – Thermoplastique ou thermodurcissable ?

Pour chaque plastique, indiquer s'il est thermoplastique (se ramollit en chauffant, recyclable) ou thermodurcissable (rigide définitivement après cuisson, non recyclable) :

  • PE : thermoplastique (recyclable).
  • Résine époxy : thermodurcissable (non recyclable).
  • PVC : thermoplastique (recyclable).
  • Bakélite : thermodurcissable (non recyclable).
Socle Exercice 4 – Polyéthylène simple

Le polyéthylène (PE) est formé à partir du monomère éthylène (CH₂=CH₂).

  1. Écrire la formule du motif répété dans le PE : –(CH₂–CH₂)–.
  2. Compter le nombre d'atomes de C et de H dans ce motif.
  3. Donner deux utilisations courantes du polyéthylène.
  1. Motif : –(CH₂–CH₂)– ou –(C₂H₄)–.
  2. C : 2 ; H : 4 par motif.
  3. Utilisations : sacs plastiques, films d'emballage, tuyaux, bouteilles, jouets.
Socle Exercice 5 – Plastiques biodégradables

On dit qu'un plastique est biodégradable s'il peut être dégradé par des microorganismes (bactéries, champignons) en conditions naturelles.

  1. Donner un avantage des plastiques biodégradables par rapport aux plastiques traditionnels.
  2. Donner une limite des plastiques biodégradables (pourquoi ne remplacent-ils pas encore tous les plastiques classiques ?).
  3. Citer un exemple de plastique biodégradable (ex : PLA, amidon de maïs...).
  1. Avantage : ils se décomposent en eau, CO₂ et biomasse → moins de pollution plastique dans l'environnement.
  2. Limites : souvent plus coûteux, moins résistants mécaniquement, nécessitent des conditions spécifiques (compostage industriel) pour se dégrader.
  3. Exemples : PLA (acide polylactique, issu du maïs), PBAT, thermoplastique à base d'amidon.

Exercices Standard

Standard Exercice 6 – Analyse du PVC en plasturgie

En plasturgie, un technicien en matériaux travaille avec le PVC (polychlorure de vinyle). Le monomère est le chlorure de vinyle : CH₂=CHCl.

  1. Écrire l'équation de polymérisation du PVC.
  2. Donner la formule brute du motif répété dans le PVC.
  3. Le PVC est souvent mélangé à des plastifiants pour le rendre souple. À quoi servent les plastifiants dans la matière plastique ?
  4. Citer deux applications du PVC souple et deux du PVC rigide.
  1. \(n\,\text{CH}_2\text{=CHCl} \longrightarrow \text{–(CH}_2\text{–CHCl)}_n\text{–}\)
  2. Motif : –(CH₂–CHCl)– → formule brute : C₂H₃Cl.
  3. Les plastifiants s'intercalent entre les chaînes de polymère, réduisant les interactions entre elles et rendant le matériau plus flexible.
  4. PVC souple : gaines de câbles électriques, tuyaux flexibles, vêtements imperméables. PVC rigide : fenêtres, portes, tuyaux d'évacuation, bardage.
Standard Exercice 7 – Calcul de masse molaire d'un polymère

Le polypropylène (PP) a pour motif répété –(CH₂–CH(CH₃))–. On donne : \(M_C = 12\) g/mol, \(M_H = 1\) g/mol.

  1. Donner la formule brute du motif répété.
  2. Calculer la masse molaire d'un motif.
  3. Une chaîne de PP a un degré de polymérisation n = 5 000. Calculer sa masse molaire.
  4. Exprimer ce résultat en kg/mol.
  1. Motif –CH₂–CH(CH₃)– = –C₃H₆– → formule brute : C₃H₆.
  2. \(M_{\text{motif}} = 3 \times 12 + 6 \times 1 = 36 + 6 = \mathbf{42}\) g/mol.
  3. \(M_n = 5\,000 \times 42 = \mathbf{210\,000}\) g/mol.
  4. 210 000 g/mol = 210 kg/mol.
Standard Exercice 8 – Tri et recyclage des plastiques

Un technicien en contrôle qualité dans un centre de tri trie des déchets plastiques. Il reçoit les objets suivants : bouteilles d'eau (PET), sacs de supermarché (PEBD), tuyaux de plomberie (PVC), boîtes de yaourt (PS).

  1. Donner le code de recyclage de chacun de ces plastiques.
  2. Expliquer pourquoi les plastiques doivent être triés avant recyclage (pas tous ensemble).
  3. Les thermodurcissables sont-ils recyclables par refonte ? Justifier.
  4. Proposer une filière de recyclage pour les bouteilles PET (que devient la matière après recyclage ?).
  1. PET : code 1 ; PEBD : code 4 ; PVC : code 3 ; PS : code 6.
  2. Chaque plastique a une température de fusion et des propriétés différentes. Les mélanger donne un matériau hétérogène de mauvaise qualité. Le tri permet de recycler des matériaux homogènes et réutilisables.
  3. Non : les thermodurcissables ont des liaisons chimiques réticulées (réseau 3D). En chauffant, ils se dégradent sans se ramollir → impossible de les refondre.
  4. Les bouteilles PET sont broyées, lavées, fondues et extrudées. La matière peut être transformée en fibres textiles (polaire, vêtements), en nouvelles bouteilles (PET recyclé), ou en rubans d'emballage.
Standard Exercice 9 – Synthèse du nylon en laboratoire

En TP, un technicien chimiste réalise la synthèse d'un polyamide (type nylon) par polycondensation entre une diamine et un diacide chlorure. Contrairement à la polyaddition, la polycondensation libère une petite molécule à chaque étape (ici HCl).

  1. Donner la différence principale entre polyaddition et polycondensation.
  2. Dans la polyaddition, y a-t-il libération d'une petite molécule ? Dans la polycondensation ?
  3. Le nylon est utilisé pour fabriquer des fibres textiles et des pièces mécaniques. Citer deux propriétés mécaniques qui justifient ces usages.
  4. Le polyamide est un thermoplastique. Que peut-on faire du nylon en fin de vie ?
  1. Polyaddition : les monomères s'ajoutent les uns aux autres sans libération de petite molécule. Polycondensation : une petite molécule (eau, HCl...) est éliminée à chaque liaison formée.
  2. Polyaddition : non. Polycondensation : oui (eau, HCl, méthanol selon le cas).
  3. Propriétés : résistance mécanique élevée (traction, flexion), légèreté, résistance à l'abrasion et aux produits chimiques.
  4. Étant thermoplastique, le nylon peut être reforgé, recyclé par refonte ou réutilisé comme charge dans d'autres matériaux.
Standard Exercice 10 – Impact environnemental des plastiques

La production mondiale de plastiques dépasse 400 millions de tonnes par an. Des plastiques se retrouvent dans les océans et forment des « continents » de déchets.

  1. Expliquer pourquoi les plastiques traditionnels (PE, PP) persistent dans l'environnement pendant des dizaines d'années.
  2. Qu'est-ce que le microplastique ? Comment se forme-t-il ?
  3. Citer deux solutions pour réduire l'impact environnemental des plastiques dans l'industrie.
  4. Pourquoi le recyclage seul n'est-il pas suffisant ? (Taux de recyclage mondial des plastiques.)
  1. Les plastiques traditionnels ont des liaisons C–C très stables : les bactéries ne disposent pas des enzymes nécessaires pour les dégrader. La dégradation photo-oxydative par les UV est très lente (50 à 500 ans selon le plastique).
  2. Un microplastique est un fragment de plastique de taille inférieure à 5 mm. Il se forme par fragmentation physique (UV, vagues, abrasion) de macroplastiques, ou est directement produit sous forme de billes (cosmétiques, granulés industriels).
  3. Solutions : utiliser des plastiques biodégradables, réduire à la source (éco-conception), développer des matériaux biosourcés, instaurer des systèmes de consigne pour les emballages.
  4. Le taux de recyclage mondial est d'environ 9 % seulement. Beaucoup de plastiques ne peuvent pas être recyclés (thermodurcissables, composites, plastiques souillés) ou ne le sont pas faute de filière.
Standard Exercice 11 – Additifs et propriétés des plastiques

La matière plastique n'est pas composée que de polymère. Elle contient des additifs qui modifient ses propriétés.

  1. Citer quatre types d'additifs et leur rôle.
  2. Pourquoi ajoute-t-on des stabilisants thermiques au PVC ?
  3. Un plastique coloré en rouge peut-il être recyclé avec un plastique blanc de même nature ? Quel problème cela pose-t-il ?
  4. Comment les additifs peuvent-ils compliquer le recyclage des plastiques ?
  1. Colorants (couleur), plastifiants (souplesse), stabilisants thermiques/UV (résistance chaleur/lumière), charges (renforcement mécanique, réduction coût), ignifugeants (résistance au feu).
  2. Le PVC se dégrade à des températures relativement basses en libérant du HCl (gaz corrosif et toxique). Les stabilisants thermiques retardent cette dégradation lors de la mise en forme (extrusion, injection).
  3. Oui, ils peuvent être mélangés s'ils sont du même polymère de base, mais la couleur résultante sera mélangée (souvent grise/marron). Pour une production de qualité, les couleurs sont séparées.
  4. Certains additifs sont toxiques ou incompatibles avec d'autres plastiques. Lors du recyclage, les additifs des différents plastiques mélangés peuvent réagir entre eux, dégrader les propriétés du matériau recyclé ou nécessiter une purification coûteuse.
Standard Exercice 12 – Polyester en plasturgie

Le PET (polyéthylène téréphtalate) est un polyester obtenu par polycondensation. Il est utilisé pour les bouteilles d'eau et les fibres textiles (polyester).

  1. Le PET est-il obtenu par polyaddition ou polycondensation ?
  2. Que signifie « polyester » en termes de groupe fonctionnel ?
  3. Pourquoi les bouteilles en PET sont-elles transparentes ? Donner une propriété optique liée à la structure du polymère.
  4. Le PET a un code de recyclage 1 et est le plastique le plus recyclé en France. Nommer deux produits fabriqués à partir de PET recyclé.
  1. Polycondensation (les monomères se lient en éliminant de l'eau à chaque étape).
  2. Polyester : le polymère contient des groupes ester (–COO–) dans sa chaîne principale.
  3. En refroidissant rapidement, le PET forme une structure amorphe (chaînes non organisées) qui laisse passer la lumière → transparence. Si refroidi lentement (structure semi-cristalline), il devient opaque.
  4. PET recyclé : fibres textiles pour polaires et vêtements techniques, nouvelles bouteilles, rubans de cerclage, géotextiles.

Exercices Approfondissement

Approfondissement Exercice 13 – Polymères à mémoire de forme

Certains polymères dits « à mémoire de forme » peuvent retrouver leur forme initiale après déformation si on les chauffe. Ces matériaux sont utilisés en médecine (stents, sutures) et en aéronautique.

  1. Quel type de liaisons (covalentes ou intermoléculaires) permet à ces polymères de « se souvenir » de leur forme ?
  2. Expliquer qualitativement le mécanisme : à basse température (dessous de la température de transition), le polymère est rigide. Que se passe-t-il à haute température ?
  3. Quel lien peut-on faire avec la distinction thermoplastique / thermodurcissable ?
  4. Dans le domaine du traitement de surface, un tube en polymère à mémoire de forme est inséré froid dans un orifice, puis se dilate à la chaleur pour assurer l'étanchéité. Calculer l'allongement d'un tube de longueur initiale L₀ = 50 mm qui passe de 20 °C à 60 °C avec un coefficient de dilatation linéaire α = 120 × 10⁻⁶ °C⁻¹ (valeur pour ce polymère).
  1. Les liaisons intermoléculaires (liaisons hydrogène, interactions de Van der Waals) sont responsables de la rigidité à basse température et permettent au réseau de retrouver une configuration mémorisée.
  2. À haute température, l'agitation thermique rompt les liaisons intermoléculaires faibles → les chaînes retrouvent une mobilité et reviennent à leur conformation d'équilibre (forme mémorisée).
  3. Ces polymères se comportent comme des thermoplastiques : ils se ramollissent en chauffant. Mais leur réseau peut être partiellement réticulé (semi-thermodurcissable), ce qui leur confère la « mémoire ».
  4. \(\Delta L = \alpha \times L_0 \times \Delta T = 120 \times 10^{-6} \times 50 \times (60-20) = 120 \times 10^{-6} \times 50 \times 40 = \mathbf{0{,}24}\) mm.
Approfondissement Exercice 14 – Polycondensation et masse molaire

On synthétise un polyamide (PA 6,6 — Nylon) par polycondensation entre l'hexanedioïque (acide adipique) et l'hexane-1,6-diamine. Le motif répété a pour formule –(NH–(CH₂)₆–NH–CO–(CH₂)₄–CO)–.

  1. Donner la formule brute du motif répété (C₁₂H₂₂N₂O₂).
  2. Calculer la masse molaire du motif (\(M_C = 12\), \(M_H = 1\), \(M_N = 14\), \(M_O = 16\) g/mol).
  3. Pour n = 200, calculer la masse molaire de la chaîne.
  4. Quelle petite molécule est éliminée à chaque étape de la polycondensation de ce système ?
  5. Pourquoi les polyamides ont-ils de bonnes propriétés mécaniques ? (Mentionner les liaisons hydrogène entre chaînes.)
  1. C₁₂H₂₂N₂O₂.
  2. \(M = 12 \times 12 + 22 \times 1 + 2 \times 14 + 2 \times 16 = 144 + 22 + 28 + 32 = \mathbf{226}\) g/mol.
  3. \(M_n = 200 \times 226 = \mathbf{45\,200}\) g/mol = 45,2 kg/mol.
  4. L'eau (H₂O) est éliminée à chaque liaison amide formée.
  5. Les liaisons N–H…O=C (liaisons hydrogène) se forment entre les groupes amide de chaînes voisines. Ces liaisons intermoléculaires créent une forte cohésion du matériau → rigidité, résistance à la traction et à l'abrasion élevées.
Approfondissement Exercice 15 – Analyse des propriétés et choix de matériaux

Un bureau d'études doit choisir un plastique pour fabriquer un tuyau d'eau chaude résistant à 80 °C et à une pression de 10 bar. Les candidats sont : PP-R (polypropylène réticulé, usage eau chaude), PVC (rigide, température max 60 °C), PEHD (résistant mécaniquement, température max 70 °C).

  1. Éliminer le ou les plastiques qui ne conviennent pas selon les critères de température. Justifier.
  2. Le PP-R est utilisé à 80 °C sous 10 bar. Quelle propriété du polymère est déterminante pour résister à la pression ?
  3. Le PP-R est souvent réticulé. Expliquer ce que signifie « réticulé » et quel impact cela a sur les propriétés mécaniques.
  4. En fin de vie, le PP-R réticulé peut-il être recyclé par refonte ? Justifier.
  5. Proposer une alternative biosourcée et/ou durable pour remplacer ce tuyau plastique.
  1. PVC (max 60 °C) et PEHD (max 70 °C) ne conviennent pas pour 80 °C. Seul le PP-R est adapté.
  2. La résistance mécanique (résistance à la pression interne) et la rigidité (module d'Young élevé) du polymère.
  3. Réticulé = les chaînes de polymère sont reliées entre elles par des liaisons covalentes (ponts chimiques) formant un réseau 3D. Cela augmente la rigidité, la résistance thermique et mécanique, mais rend le matériau non fusible.
  4. Non : la réticulation crée un réseau 3D irréversible, comme un thermodurcissable → impossible de le refondre → non recyclable par refonte.
  5. Alternatives : tubes en cuivre (très durable, recyclable), tubes en acier inoxydable, ou biopolymères haute performance à base de PLA renforcé (en développement pour ce type d'application).