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Module 10e – 12e années - Plastiques et polymères

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Qu’est-ce qu’un polymère?

Un polymère est une grosse molécule composée d’unités structurales qui se répètent et qu’unissent des liaisons chimiques. Beaucoup de gens confondent les polymères avec les plastiques. En réalité, le terme « polymère » désigne une vaste catégorie de matériaux naturels et synthétiques aux propriétés multiples.
Le mot « polymère » dérive des termes grecs « poly », qui signifie « nombreux », et « mer », qui signifie « partie ». La majorité des polymères reposent sur le carbone.

Première activité : la molécule des polymères

Avant de commencer, posez la question que voici à vos élèves.

  1. « Que sont les polymères? »
  2. Demandez-leur de regarder autour d’eux et d’indiquer quels matériaux, selon eux, sont des polymères ou des plastiques.
  3. Aidez-les à faire la distinction entre polymères naturels et polymères synthétiques.

Démonstration
Construction d’une série de molécules polymériques.

Matériaux

  • Boules d’artisanat en polystyrène (de grosseurs différentes)
  • Cure-dents ou brochettes
    1. Construisez une molécule simple de méthane (CH4) en prenant une grosse boule et quatre petites. Expliquez que le méthane se compose d’un seul atome de carbone et de quatre atomes d’hydrogène. Lien avec le programme STSE :  le méthane est le gaz naturel dont on se sert pour chauffer de nombreux foyers au Canada. 
    2. Ajoutez trois boules à la molécule de méthane pour obtenir une molécule d’éthane (C2H6). Lien avec le programme STSE : l’éthane est aussi un gaz et reste une molécule simple.
    3. Ajoutez encore trois boules pour reproduire la molécule de propane (C3H8). Lien avec le programme STSE : le propane est toujours un gaz; c’est lui qui sert de combustible dans de nombreux barbecues.
    4. Trois boules de plus donneront le butane (C4H10). Lien avec le programme STSE : le butane est un liquide couramment employé dans les briquets servant à allumer les barbecues.

En utilisant les grosses boules pour représenter les atomes de carbone, vous pourrez reproduire la structure de nombreuses autres molécules faites de carbone et d’hydrogène. Expliquez aux élèves que la longueur de la chaîne a son importance, car elle modifie les propriétés du composé. Dites-leur à quoi les molécules correspondent dans la vie courante.

  • 8 boules de carbone = octane, le principal constituant de l’essence
  • 18 boules de carbone – octadécane, une graisse entrant dans la fabrication de la Vaseline
  • 28 boules de carbone = octaosane, un solide dont est principalement faite la cire des bougies

Pour obtenir un polymère, il faut une chaîne d’au moins 1 000 à 10 000 boules. Servez-vous d’un long collier de perles ou d’une ficelle sur laquelle on aura enfilé des perles pour illustrer le concept. Le polyéthylène des sacs poubelle est un polymère dont la chaîne a au moins dix fois cette longueur.

Deuxième activité : quelques propriétés intéressantes des polymères

démonstrations avec du Silly Putty®  (tirées de www.sillyputty.com)

  1. Tout le monde sait que le Silly Putty rebondit. Quand on en fait une balle et qu’on la lance sur une surface dure et lisse, le Silly Putty rebondit mieux qu’une balle de caoutchouc ordinaire. Cette propriété s’améliore encore plus quand on refroidit le Silly Putty.
    • Fabriquez une balle avec un peu de Silly Putty et faites-la rebondir.
    • Mesurez la hauteur des bonds.
    • Ensuite, déposez la balle environ une heure au congélateur.
    • Faites-la rebondir lorsqu’elle est froide, comme vous l’avez fait quand elle était chaude.
    • Mesurez les résultats et comparez-les aux précédents.
  2. Le Silly Putty est malléable (on peut le pétrir). Cependant, il est presque impossible de l’aplatir en le frappant avec un marteau ou la paume de la main. En effet, le Silly Putty est un composé dilatant, ce qui signifie qu’il ne réagit pas de la même façon à une forte pression exercée rapidement et à une faible pression appliquée lentement. Quand la pression s’applique rapidement, le Silly Putty agit à la manière d’un solide, en gardant sa forme; lorsqu’on applique la même pression lentement, il se comporte davantage comme un liquide, de sorte qu’on peut le façonner aisément.
    • Fabriquez une boule avec un morceau de Silly Putty et déposez-la sur une surface solide.
    • Essayez d’aplatir la boule en la heurtant avec un maillet en caoutchouc, un marteau ou un autre objet lourd. Peu importe la force que vous emploierez, la boule ne s’aplatira pas.
    • Finalement, appuyez lentement sur la boule avec votre petit doigt. Elle s’écrase sans difficulté!
  3. Étirement et rupture. En plus d’être malléable, le Silly Putty s’étire. La substance réagit très différemment selon la manière dont on l’étire. On le doit aussi à ses propriétés dilatantes. Quand on l’étire lentement, le Silly Putty agit plus comme un liquide et s’étire sans se casser. Quand on l’étire vite et fort, il se comporte à la manière d’un solide et se brise net.

Troisième activité : fabrication d’un polymère gluant

Il s’agit d’une expérience pratique durant laquelle les élèves fabriquent de la vase.

Matériaux

  • détachant à lessive au borax
  • eau tiède
  • colle blanche
  • colorant alimentaire vert
  • contenant ou pot avec couvercle étanche
  • sacs ZipLock®
    1. Préparer une solution au borax en mélangeant 1/8e de tasse de borax à ½ litre d’eau tiède dans un pot (en plus petite quantité : ½ cuillère à thé de borax dans 2 cuillères à soupe d’eau tiède). Secouer jusqu’à ce que la majeure partie du borax soit dissous et laisser refroidir.
    2. Verser 2 cuillères à thé de colle blanche dans un sac. Ajouter 2 gouttes de colorant alimentaire vert.
    3. Ajouter 2 cuillères à thé d’eau, refermer le sac et bien mélanger pour obtenir une couleur uniforme.
    4. Ajouter 1 cuillère de la solution au borax dans le sac, bien refermer celui-ci et pétrir le tout pour bien mélanger de nouveau.


Vous avez maintenant de la vase verte… comme c’est dégoûtant!

Recommandation : si les élèves sont nombreux, il est plus facile de préparer la solution et les sacs à l’avance.

Quatrième activité : le truc du ballon (1)

Matériaux

  • ballons
  • brochettes en bois
  • huile à cuisson
  • marqueur magique noir
    1. Gonflez un ballon jusqu’à qu’il ait presque atteint sa taille maximale, puis laissez sortir le tiers de l’air et fermez-le en faisant un nœud à son extrémité.
    2. Examinez soigneusement le ballon. Remarquez que le caoutchouc est plus épais aux deux extrémités (là où il y a le nœud et à l’autre bout).
    3. Plongez la pointe d’une brochette dans l’huile à cuisson, qui servira de lubrifiant.
    4. Posez la pointe de la brochette sur l’extrémité épaisse du ballon et poussez-la dans le ballon. Prenez soin de ne pas vous piquer ou de donner un coup au ballon avec la brochette. Exercez simplement une faible pression (peut-être en tournant un peu) pour perforer le ballon.
    5. Poussez la brochette dans le ballon jusqu’à ce que sa pointe touche à l’autre bout (là où le caoutchouc est aussi plus épais). Continuez de pousser jusqu’à ce que la brochette pénètre dans le caoutchouc.
    6. Poussez une grande respiration de soulagement et saluez. Bravo!
    7. Retirez délicatement la brochette. Évidemment, l’air sortira du ballon, mais celui-ci n’aura pas éclaté.

Répétez l’expérience, cette fois pour illustrer le « stress » invisible qui s’exerce dans le ballon.

  1. Avant de souffler dans le ballon, tracez 10 à 15 points sur son enveloppe avec le marqueur. Les points devraient avoir à peu près les dimensions d’une tête d’allumette. Assurez-vous qu’il y en a aux deux extrémités et au milieu du ballon.
  2. Gonflez le ballon à moitié et nouez-en le bout. Observez la taille des divers points. D’après leurs dimensions, où les molécules de latex sont-elles les plus étirées sur le ballon? Où sont-elles les moins étirées?
  3. Examinez attentivement la brochette en bois. Plongez-en la pointe dans l’huile végétale et badigeonnez toute la baguette d’huile avec les doigts.
  4. Servez-vous de vos observations antérieures sur les points couvrant le ballon pour déterminer le meilleur endroit où percer l’enveloppe avec la brochette afin que le ballon n’éclate pas.

Qu’est-ce qui se passe?
Le secret consiste à trouver l’endroit du ballon où les molécules de latex subissent le moins de stress. Après avoir tracé des points sur le ballon, vous avez sans doute remarqué que les points à chacune des extrémités étaient relativement petits. Vous venez de découvrir l’endroit où le stress est le plus faible… Quand on pose la pointe de la brochette sur l’une des extrémité du ballon gonflé, l’objet traverse celui-ci sans le faire éclater.

Si vous pouviez examiner le caoutchouc dont est fabriqué le ballon à l’échelle microscopique, vous verriez de longues chaînes de molécules – un polymère! C’est l’élasticité de ces chaînes qui confère au caoutchouc son élasticité. En gonflant le ballon, vous étirez les chaînes de polymères. Avant même de tracer les points, sans doute aurez-vous noté que le milieu du ballon est plus étiré que ses extrémités. Vous avez agi sagement en décidant de percer le ballon là où les molécules du polymère sont moins étirées. Les longues molécules se sont étirées autour de la brochette, empêchant l’air de se ruer à l’extérieur. Quand vous retirerez la brochette, vous sentirez l’air fuir par les trous où les fils du polymère ont été séparés. Le ballon finira par se dégonfler, mais il n’aura pas éclaté.

Pour bien le prouver, essayez de pousser la brochette à travers le milieu d’un ballon gonflé. L’expérience se terminera avec un bang!

Cinquième activité : le truc du ballon (2)

Existe-t-il une façon d’enfoncer une aiguille dans le côté d’un ballon sans le faire éclater?

Matériaux

  • ballons
  • ruban adhésif transparent
  • aiguilles
    1. Gonflez un ballon et nouez-en l’extrémité.
    2. Faites un X à la surface du ballon avec le ruban adhésif.
    3. Piquez le X et le ballon avec une aiguille. Quand l’aiguille traversera le ruban adhésif, le ballon n’éclatera pas immédiatement. Il ne le fera que quand l’air commencera à s’en échapper lentement.

Qu’est-ce qui se passe?
Le ruban colle au caoutchouc et l’empêche de s’étirer jusqu’au point de rupture quand l’aiguille le traverse. En d’autres mots, le ruban renforce le caoutchouc et permet au ballon de garder son intégrité. Cependant, dès que l’air commence à s’échapper, le ruban se sépare du ballon, si bien que le caoutchouc se déchire et que le ballon éclate.

Remarque : Toutes les activités ont été adaptées de multiples sources par le scientifique du CNRC Mike Day.