Les matieres plastiques
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Thème : Les matériaux Chap. 1 Cycle de vie des matériaux Les matières plastiques Analyse et synthèse de documents : La vie des plastiques Mots-clefs : Vieillissement, recyclage, élimination Contexte du sujet : Recherchés pour leurs propriétés remarquables (légèreté, longue durée de vie, isolant électrique et thermique, faible dégradabilité, grande diversité d’utilisation), les plastiques sont très largement utilisés. Malheureusement, certains de ces avantages se transforment en inconvénients quand ces produits deviennent des déchets. Quelles sont les principales étapes de la vie d’un objet en plastique ? Document 1 : Synthèse de quelques plastiques Document 2 : Recyclage des plastiques Les matières plastiques 1 Thème : Les matériaux Chap. 1 Cycle de vie des matériaux Document 3 : Vieillissement des plastiques Document 4 : Elimination des plastiques Questions : 1. Quel est le principal constituant d’une matière plastique ? 2. Pourquoi parle-t-on de macromolécules à propos des polymères ? 3. A l’aide de vos connaissances personnelles et en analysant la structure du polyéthylène (PE) et du polyéthylène téréphtalate (PET), préciser la nature des interactions assurant la cohésion, à l’état solide, de ces deux polymères. Justifier alors que le PET se ramollit à une température supérieure à celle permettant le ramollissement du PE. 4. 5. Le polyéthylène téréphtalate et les résines glycérophtaliques sont des polyesters. Le justifier. Le polyéthylène téréphtalate est thermoplastique, alors que les résines glycérophtaliques sont thermodurcissables. En étudiant le motif de chacun de ces polymères, expliquer cette différence de comportement. 6. Faire une analyse commentée des graphes du doc.2, en particulier l’évolution des données de ces dernières années. 7. 8. Comment peut se manifester, à l’échelle macroscopique, le vieillissement d’un plastique ? Quelles sont des deux voies les plus utilisées en France pour réutiliser les déchets plastiques ? 9. Donner le nom de la réaction mise en jeu dans les incinérateurs. 10. Ecrire l’équation de combustion complète du polychlorure de vinyle de formule brute C 2nH3nCln. Que peut-on dire, d’un point de vue écologique, de la nature des rejets obtenus ? L’incinération est-elle une méthode intéressante pour éliminer ce polymère ? Argumenter. 11. BILAN : Faire un schéma légendé présentant le cycle de vie d’un objet thermoplastique, puis d’un objet thermodurcissable. Les matières plastiques 2 Thème : Les matériaux Chap. 1 Cycle de vie des matériaux CORRECTION Questions : 1. Quel est le principal constituant d’une matière plastique ? Le principal constituant d’une matière plastique est un polymère, c’est à dire une macromolécule obtenu à partir de la répétition d’un même motif appelé monomère. (doc1) 2. Pourquoi parle-t-on de macromolécules à propos des polymères ? Les molécules constituant les polymères ont des masses molaires élevées donc on parle de macromolécules. (doc1) 3. A l’aide de vos connaissances personnelles et en analysant la structure du polyéthylène (PE) et du polyéthylène téréphtalate (PET), préciser la nature des interactions assurant la cohésion, à l’état solide, de ces deux polymères. Justifier alors que le PET se ramollit à une température supérieure à celle permettant le ramollissement du PE. Le polyéthylène (PE), de formule est apolaire ; la cohésion de ce polymère est assurée par les interactions de Van der Waals mettant en jeu des dipôles instantanés. Le polyéthylène téréphtalate (PET), de formule est polaire ; la cohésion de ce polymère est assurée par les interactions de Van der Waals mettant en jeu des dipôles permanents. Les interactions sont plus fortes pour le PET que dans le PE justifiant que le PET se ramollit à une température supérieure à celle permettant le ramollissement du PE. 4. Le polyéthylène téréphtalate et les résines glycérophtaliques sont des polyesters. Le justifier. Le polyéthylène téréphtalate et les résines glycérophtaliques résultent de la réaction entre un polyalcool ou polyol (éthylène glycol ou éthane-1, 2-diol) et un polyacide (acide téréphtalique) donc ce sont des polyesters ; leur formule présente le groupe – CO – O – C ou des esters. (Doc 1) Rappel : Estérification : Alcool + Acide Ester + Eau Hydrolyse : Ester + Eau Alcool + Acide Les matières plastiques 3 , caractéristique Thème : Les matériaux 5. Chap. 1 Cycle de vie des matériaux Le polyéthylène téréphtalate est thermoplastique, alors que les résines glycérophtaliques sont thermodurcissables. En étudiant le motif de chacun de ces polymères, expliquer cette différence de comportement. Le polyéthylène téréphtalate (PET) présente des chaines linéaires : le motif présente une fonction ester et ne contient plus de fonction alcool susceptible de réagir donc c’est un thermoplastique. Les résines glycérophtaliques contiennent encore une fonction alcool qui peut réagir et ainsi acquérir une structure tridimensionnelle par réticulation. Cette dernière est figée d’où le caractère thermoplastique de ces matériaux. (Doc 1 et Doc 2) 6. Faire une analyse commentée des graphes du doc.2, en particulier l’évolution des données de ces dernières années. L’observation des graphes du doc. 2 montre : Que le tonnage des emballages plastiques produits en France évolue peu depuis quinze ans, sa croissance n’étant que de 11% entre 1994 et 2009 avec une décrue depuis cinq ans ; Que le tonnage des emballages plastiques ménagers recyclés présente au contraire une très forte croissance passant d’une dizaine de milliers de tonnes , en 1993, à plus de deux cent mille tonnes en 2009 ; il faut voir là le résultat de la mise en place ces quinze dernières années du tri sélectif des déchets ; Une croissance ou une stagnation, ces deux dernières années, des deux tonnages considérés ; cela traduit peut-être une prise en compte du gaspillage créé par des emballages souvent surdimensionnés par rapport au produit ou l’utilisation d’autres types d’emballages plus en phase avec un développement durable (verre, métaux recyclables, etc.). 7. Comment peut se manifester, à l’échelle macroscopique, le vieillissement d’un plastique ? Le vieillissement des matières plastiques modifie les propriétés de celles-ci. A l’échelle macroscopique, le vieillissement d’un plastique se fait généralement de façon progressive. On peut ainsi observer l’apparition de fissures ou de craquèlements, la perte d’élasticité ou de thermoplasticité, la décoloration du matériau. Abandonné aux intempéries, aux variations de température ou à la lumière, les matières plastiques deviennent cassantes et se délitent lentement, voire très lentement ; d’où la nécessité de ne pas abandonner ces matériaux dans la nature. (Doc 3). Remarques : Le processus de vieillissement touche toujours un petit groupe d’atomes comme le groupement ester qui est modifié par hydrolyse. La formation d’acides et d’alcools modifie alors les propriétés du matériau. L’hydrolyse d’un ester est une réaction lente, mais le processus est ici accéléré par le facteur concentration en eau, car les produits formés lors de l’hydrolyse sont hydrophiles. Les matières plastiques se dégradent plus vite dans l’eau, produisant ainsi des produits polluants solubles dans l’eau des rivières par exemple. Le vieillissement des matières plastiques modifie les propriétés de celles-ci. Ne pouvant plus servir à leur usage destiné et compte tenu de la quantité gigantesque de matières plastiques fabriquées chaque année, la gestion de ces déchets est un enjeu écologique important. Les matières plastiques 4 Thème : Les matériaux 8. Chap. 1 Cycle de vie des matériaux Quelles sont des deux voies les plus utilisées en France pour réutiliser les déchets plastiques ? En France, les déchets plastiques sont réutilisés : - soit par la filière de la valorisation chimique, consistant à dépolymériser le matériau par voie chimique ; - soit par la filière de la valorisation énergétique, consistant à incinérer les déchets afin de récupérer la chaleur générée dans les réseaux de chauffage ou dans la production d’électricité par exemples. (Doc. 2 et doc. 4) 9. Donner le nom de la réaction mise en jeu dans les incinérateurs. Dans les incinérateurs, il se produit une réaction chimique de combustion. (Doc. 4) 10. Ecrire l’équation de combustion complète du polychlorure de vinyle de formule brute C2nH3nCln. Que peut-on dire, d’un point de vue écologique, de la nature des rejets obtenus ? L’incinération estelle une méthode intéressante pour éliminer ce polymère ? Argumenter. La combustion complète du polychlorure de vinyle a pour équation : C2nH3nCln + 5𝑛 2 O2 2n CO2 + n H2O + n HCl Cette combustion rejette dans l’atmosphère du dioxyde de carbone (comme toute combustion), un gaz à effet de serre et du chlorure d’hydrogène, un gaz source de pluies acides, ce qui n’est pas bon d’un point de vue écologique. Les usines d’incinération peuvent piéger en partie le chlorure d’hydrogène ; Le PVC a un pouvoir calorifique inférieur (PCI) faible (seulement 20 MJ.kg-1) donc l’incinération n’est pas une méthode intéressant pour éliminer ce polymère. Il est préférable de le recycler après passage en centre de tri. (Doc 4) 11. BILAN : Faire un schéma légendé présentant le cycle de vie d’un objet thermoplastique, puis d’un objet thermodurcissable. La différence fondamentale entre un objet thermoplastique et un objet thermodurcissable est que le premier peut être fondu et moulé après un premier emploi alors que le second ne peut être fondu. Ils vont donc avoir des cycles de vie différents. Cycle de vie d’un matériau thermoplastique : Cycle de vie d’un matériau thermodurcissable : La valorisation chimique a pour but de désassembler les déchets plastiques pour fabriquer de nouveaux matériaux. On peut alors parler de recyclage puisque la matière est réutilisée en tant que matière. La valorisation énergétique est plutôt un procédé d’élimination. En effet, seule l’énergie libérée par la combustion est utilisée car les produits formés ne sont pas utilisables. Les matières plastiques 5
