QCM : Macromolécules et polymères — 30 questions

Questions et réponses du QCM

1. Quelle définition décrit le mieux une macromolécule ?

Une petite molécule formée par une seule unité répétitive
Un mélange de molécules ayant des masses moléculaires identiques
Un assemblage ionique dépourvu de liaisons covalentes
Une très grande molécule caractérisée par une masse moléculaire élevée

Une très grande molécule caractérisée par une masse moléculaire élevée

Explication

Une macromolécule est une molécule de très grande taille possédant une masse moléculaire élevée. La répétition d’unités covalentes caractérise plus précisément un polymère, et non toute macromolécule.

2. Quelle caractéristique permet de définir un polymère ?

La purification directe d’une substance extraite du milieu naturel
La répétition covalente de nombreuses unités de répétition
La présence d’une seule molécule de masse moléculaire élevée
La formation d’un matériau composé de chaînes toutes identiques

La répétition covalente de nombreuses unités de répétition

Explication

Un polymère est une macromolécule constituée par la répétition covalente de nombreuses sous-unités. Une macromolécule peut être très grande sans être décrite par cette organisation répétitive, et les chaînes d’un échantillon ne sont pas nécessairement identiques.

3. Quelle association décrit correctement les trois origines possibles des polymères ?

Naturels extraits du milieu, artificiels modifiés chimiquement, synthétiques formés par polymérisation
Naturels modifiés chimiquement, artificiels formés par polymérisation, synthétiques extraits du milieu
Naturels formés par polymérisation, artificiels extraits du milieu, synthétiques modifiés chimiquement
Naturels obtenus par polycondensation, artificiels purifiés, synthétiques issus de matériaux végétaux

Naturels extraits du milieu, artificiels modifiés chimiquement, synthétiques formés par polymérisation

Explication

Les polymères naturels sont extraits puis purifiés, les artificiels proviennent d’une modification chimique de polymères naturels, et les polymères de synthèse résultent de la polymérisation de monomères. Les autres associations inversent ces catégories d’origine.

4. Quelle famille de polymères est notamment formée par polycondensation ou polyaddition ?

Les polyesters, les polyamides et les polyuréthanes
Les carraghénates, les alginates et la gélatine
Le caoutchouc naturel, la cellulose et l’amidon
Le polyéthylène, le polypropylène et le PVC

Les polyesters, les polyamides et les polyuréthanes

Explication

La polycondensation ou la polyaddition forme notamment des polyesters, des polyamides et des polyuréthanes. Le polyéthylène, le polypropylène et le PVC sont plutôt associés à la polymérisation en chaîne, tandis que les autres groupes correspondent à des polymères naturels.

5. Une macromolécule possède une masse molaire d’unité de répétition m0=50 g mol−1m_0=50\ \mathrm{g\,mol^{-1}} et un degré de polymérisation X=200X=200. Quelle est sa masse molaire selon la relation donnée ?

10 000 g mol−110\,000\ \mathrm{g\,mol^{-1}}
250 g mol−1250\ \mathrm{g\,mol^{-1}}
4 g mol−14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}
9 950 g mol−19\,950\ \mathrm{g\,mol^{-1}}

$$10\,000\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$$

Explication

La relation M=m0XM=m_0X donne ici M=50×200=10 000 g mol−1M=50\times200=10\,000\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. Diviser par XX ou soustraire une unité de répétition ne correspond pas à la formule de la masse molaire de la macromolécule.

6. Pourquoi un échantillon de polymère présente-t-il une distribution des masses molaires ?

Parce que les unités de répétition ont des masses molaires variables dans une même chaîne
Parce que chaque chaîne possède nécessairement une composition chimique différente
Parce qu’il contient des chaînes individuelles de longueurs différentes
Parce que toutes les chaînes sont fragmentées en molécules de même longueur

Parce qu’il contient des chaînes individuelles de longueurs différentes

Explication

Un échantillon polymère est un mélange de chaînes individuelles qui ne possèdent pas toutes la même longueur, ce qui entraîne une distribution des longueurs et des masses molaires. La diversité observée concerne principalement la longueur des chaînes, et non une variation obligatoire de la composition de chaque chaîne.

7. Quels facteurs déterminent notamment les propriétés d’un polymère ?

La forme du récipient, la pression extérieure et la quantité d’eau
Sa structure chimique, sa masse molaire et sa morphologie
La date de fabrication, la longueur du nom et le mode d’emballage
Son origine géographique, sa couleur et sa température de stockage

Sa structure chimique, sa masse molaire et sa morphologie

Explication

Les propriétés d’un polymère dépendent notamment de sa structure chimique, de sa masse molaire et de sa morphologie. L’origine géographique ou les caractéristiques de l’emballage ne constituent pas les facteurs structuraux indiqués pour expliquer ces propriétés.

8. Quelle relation décrit correctement la variation de l’intensité des interactions de van der Waals avec la distance entre deux molécules ?

Elle reste indépendante de la distance entre les molécules
Elle varie comme l’inverse de la sixième puissance de la distance
Elle augmente proportionnellement à la sixième puissance de la distance
Elle varie comme l’inverse de la troisième puissance de la distance

Elle varie comme l’inverse de la sixième puissance de la distance

Explication

Les interactions de van der Waals diminuent selon une loi en 1/r61/r^6. Elles contribuent à la cohésion intermoléculaire, mais leur énergie reste nettement inférieure à celle des liaisons intramoléculaires covalentes.

9. Dans quelle plage de masse molaire la résistance mécanique d’un polymère augmente-t-elle fortement ?

Autour de 1 000 à 3 000 g·mol⁻¹ indépendamment du polymère
Au-delà d’environ 10 000 à 40 000 g·mol⁻¹ selon le polymère
Entre environ 100 et 500 g·mol⁻¹ pour la plupart des polymères
Après environ 100 000 à 200 000 g·mol⁻¹ pour chaque polymère

Au-delà d’environ 10 000 à 40 000 g·mol⁻¹ selon le polymère

Explication

Lorsque la masse molaire dépasse approximativement 10 000 à 40 000 g·mol⁻¹, la résistance mécanique croît fortement, avec un seuil qui dépend du polymère. Une masse molaire située dans les faibles milliers ne correspond pas à cette augmentation marquée.

10. Que se passe-t-il pour un polymère amorphe lorsque sa température passe au-dessus de la température de transition vitreuse TgT_g ?

Il devient un réseau tridimensionnel infusible et insoluble
Il passe d’un état rigide et cassant à un état viscoélastique
Il passe d’un état viscoélastique à un état rigide et cassant
Il perd toute contribution élastique et se comporte comme un liquide parfait

Il passe d’un état rigide et cassant à un état viscoélastique

Explication

La température de transition vitreuse sépare l’état rigide et cassant situé en dessous de TgT_g de l’état viscoélastique observé au-dessus. Le matériau ne devient pas pour autant un liquide parfait, car une contribution élastique subsiste.

11. Pourquoi un polymère réagit-il comme un solide élastique lors d’une sollicitation très rapide ?

Sa température passe nécessairement sous la transition vitreuse
Ses liaisons covalentes se transforment en interactions de van der Waals
Ses chaînes n’ont pas le temps de se réarranger ni de se désenchevêtrer
Ses chaînes se réarrangent rapidement et dissipent toute l’énergie imposée

Ses chaînes n’ont pas le temps de se réarranger ni de se désenchevêtrer

Explication

À temps très court, les chaînes macromoléculaires ne peuvent pas se réarranger ni se désenchevêtrer, ce qui donne une réponse dominée par l’élasticité. Une sollicitation rapide ne provoque pas nécessairement une baisse de température sous TgT_g.

12. Comment évoluent les contributions élastique et visqueuse d’un matériau viscoélastique quand la durée de sollicitation augmente ?

La contribution élastique domine aux temps courts et la contribution visqueuse devient importante aux temps longs
La contribution élastique disparaît dès que la sollicitation commence
La contribution visqueuse domine aux temps courts et la contribution élastique devient importante aux temps longs
Les deux contributions restent constantes quelle que soit la durée de sollicitation

La contribution élastique domine aux temps courts et la contribution visqueuse devient importante aux temps longs

Explication

La viscoélasticité associe une réponse de type solide et une réponse de type liquide, dont l’importance dépend de la durée de sollicitation. La composante élastique est prépondérante aux temps courts, tandis que la composante visqueuse se manifeste davantage aux temps longs.

13. Quelle distinction caractérise correctement les thermoplastiques et les thermodurcissables ?

Les thermoplastiques sont des chaînes fusibles et solubles, tandis que les thermodurcissables forment des réseaux réticulés infusibles et insolubles
Les deux familles sont formées de réseaux tridimensionnels et présentent une fusibilité comparable
Les thermoplastiques sont faiblement réticulés comme les élastomères, tandis que les thermodurcissables restent non réticulés
Les thermoplastiques sont des réseaux infusibles et insolubles, tandis que les thermodurcissables sont des chaînes fusibles et solubles

Les thermoplastiques sont des chaînes fusibles et solubles, tandis que les thermodurcissables forment des réseaux réticulés infusibles et insolubles

Explication

Les thermoplastiques possèdent des chaînes unidimensionnelles qui peuvent être fondues et dissoutes, alors que les thermodurcissables forment des réseaux tridimensionnels réticulés. La réticulation explique l’infusibilité et l’insolubilité des thermodurcissables.

14. Quelle définition correspond à un élastomère à température ambiante ?

Une chaîne non réticulée fusible et soluble présentant les propriétés d’un thermoplastique
Un polymère amorphe rigide et cassant situé sous sa température de transition vitreuse
Un polymère faiblement réticulé présentant des propriétés semblables à celles du caoutchouc naturel
Un polymère fortement réticulé formant un réseau rigide comparable à celui d’un thermodurcissable

Un polymère faiblement réticulé présentant des propriétés semblables à celles du caoutchouc naturel

Explication

Un élastomère est faiblement réticulé et possède à température ambiante un comportement caractéristique du caoutchouc naturel. Un réseau fortement réticulé correspond plutôt à un thermodurcissable, tandis qu’une chaîne fusible décrit un thermoplastique.

15. Quelle situation favorise le davantage la cristallisation d’un polymère ?

Un refroidissement rapide avec des groupements latéraux volumineux
Un refroidissement rapide avec des chaînes très ramifiées
Un refroidissement lent avec des groupements latéraux volumineux
Un refroidissement lent avec des chaînes peu ramifiées

Un refroidissement lent avec des chaînes peu ramifiées

Explication

Le refroidissement lent laisse aux chaînes le temps de se réorganiser, tandis que des chaînes peu ramifiées et des groupements latéraux peu encombrants facilitent leur empaquetage. Un refroidissement rapide limite au contraire cette organisation structurale.

16. Pourquoi un polymère ne forme-t-il pas un cristal totalement ordonné ?

À cause de mouvements locaux rapides, de groupements latéraux petits et d’une forte densité
À cause des irrégularités structurales, des réarrangements lents et des enchevêtrements
À cause d’un refroidissement lent, d’une faible masse molaire et de chaînes linéaires
À cause de la présence de liaisons ioniques, de solvants résiduels et de défauts de surface

À cause des irrégularités structurales, des réarrangements lents et des enchevêtrements

Explication

Les irrégularités structurales, la lenteur des réarrangements conformationnels et les enchevêtrements empêchent l’ordre complet des chaînes. Une zone semi-cristalline conserve donc une phase amorphe, contrairement à un cristal parfaitement ordonné.

17. Dans quel ordre les mouvements moléculaires d’un polymère sont-ils classés selon leur taille croissante ?

Mouvements locaux, reptations de chaînes, puis mouvements coopératifs
Mouvements coopératifs, reptations de chaînes, puis mouvements locaux
Mouvements locaux, mouvements coopératifs, puis reptations de chaînes
Reptations de chaînes, mouvements locaux, puis mouvements coopératifs

Mouvements locaux, mouvements coopératifs, puis reptations de chaînes

Explication

La classification suit une échelle croissante : les mouvements locaux concernent de petites portions, les mouvements coopératifs impliquent plusieurs segments, puis les reptations concernent le déplacement de chaînes. Les autres ordres inversent cette progression.

18. Quelle différence distingue une conformation d’une configuration moléculaire ?

La conformation possède une barrière élevée, tandis que la configuration varie par mouvements locaux
La conformation change par rotation sans rupture, tandis que la configuration exige une rupture de liaison
La conformation exige une rupture de liaison, tandis que la configuration change par rotation sans rupture
La conformation dépend de la tacticité, tandis que la configuration dépend de la masse molaire

La conformation change par rotation sans rupture, tandis que la configuration exige une rupture de liaison

Explication

Une conformation peut être modifiée par rotation autour d’une liaison, sans modifier la connectivité chimique. Une configuration nécessite une rupture de liaison et son changement demande donc une barrière énergétique plus élevée.

19. Quel énoncé compare correctement les tacticités et leur aptitude à cristalliser ?

L’atacticité désordonnée limite la cristallisation, tandis que l’isotacticité régulière la favorise fortement
La syndiotacticité empêche la cristallisation, tandis que l’atacticité alterne régulièrement les groupements
L’isotacticité place les groupements de part et d’autre, tandis que la syndiotacticité les regroupe du même côté
L’atacticité régulière favorise la cristallisation, tandis que l’isotacticité désordonnée la limite fortement

L’atacticité désordonnée limite la cristallisation, tandis que l’isotacticité régulière la favorise fortement

Explication

Dans un polymère atactique, les groupements sont disposés au hasard, ce qui rend l’organisation cristalline difficile. L’isotacticité crée une disposition régulière du même côté, et la syndiotacticité alterne les côtés tout en permettant aussi la cristallisation.

20. Pour une chaîne idéale gaussienne, comment évolue la distance quadratique moyenne entre les extrémités lorsque la masse molaire augmente ?

Elle évolue proportionnellement à la masse molaire elle-même
Elle diminue proportionnellement à l’inverse de la masse molaire
Elle évolue proportionnellement à la racine carrée de la masse molaire
Elle reste constante quelle que soit la masse molaire

Elle évolue proportionnellement à la racine carrée de la masse molaire

Explication

La relation ⟨r2⟩01/2∝n1/2∝M1/2\langle r^2\rangle_0^{1/2}\propto n^{1/2}\propto M^{1/2} montre que la distance quadratique moyenne augmente comme la racine carrée de la masse molaire. La distance moyenne vectorielle peut être nulle, mais cette grandeur quadratique moyenne reste non nulle.

21. Laquelle de ces listes regroupe uniquement des grandes familles chimiques de polymères ?

Polyoléfines, polyamides, polyesters et silicones
Polyoléfines, polyamides, protéines et polysaccharides
Polyesters, polyamides, métaux et polycarbonates
Polyuréthanes, silicones, céramiques et résines époxydes

Polyoléfines, polyamides, polyesters et silicones

Explication

Les polyoléfines, polyamides, polyesters et silicones font partie des grandes familles chimiques de polymères. Les protéines, les métaux et les céramiques appartiennent à d’autres catégories de matériaux ou de macromolécules.

22. Quelle association entre polymères et usages est correcte ?

Le polyéthylène sert aux fibres et bouteilles, tandis que le polypropylène donne des élastomères
Le PET sert aux fibres, films et bouteilles, tandis que les polydiènes donnent des élastomères
Le polypropylène sert aux films textiles, tandis que le polyéthylène téréphtalate donne des cordes
Le PET sert aux câbles et tuyaux, tandis que les polydiènes donnent des bouteilles et films

Le PET sert aux fibres, films et bouteilles, tandis que les polydiènes donnent des élastomères

Explication

Le polyéthylène téréphtalate est principalement utilisé pour les fibres textiles, les films et les bouteilles, tandis que le polybutadiène et le polyisoprène sont des polymères associés aux élastomères. Les autres associations mélangent les usages de différentes familles.

23. Laquelle de ces fibres peut être utilisée dans un biocomposite ?

La fibre de verre
La fibre d’alumine
La fibre de lin
La fibre de carbone

La fibre de lin

Explication

Le lin fait partie des fibres végétales naturelles employées dans les biocomposites. Les trois autres fibres sont minérales ou synthétiques et ne correspondent pas à cette famille végétale.

24. Lors de la mise en forme d’une fibre végétale dans une matrice polymère, quelle combinaison de précautions est nécessaire ?

Maintenir une température élevée et rendre la fibre davantage hydrophile
Employer une température plus élevée et réduire la compatibilité interfaciale
Employer une température plus basse et favoriser la compatibilité interfaciale
Refroidir fortement la matrice et rendre la fibre davantage hydrophobe

Employer une température plus basse et favoriser la compatibilité interfaciale

Explication

Une température plus basse limite la dégradation thermique de la fibre, tandis que la compatibilité doit compenser le caractère hydrophile de la fibre et hydrophobe de la matrice. Une température élevée risque au contraire d’endommager la fibre.

25. Quelle expression définit la masse molaire moyenne en nombre d’un polymère ?

Mn=∑iNiMi∑iNiM_n=\frac{\sum_i N_iM_i}{\sum_iN_i}
Mn=∑iMi∑iNiMiM_n=\frac{\sum_iM_i}{\sum_iN_iM_i}
Mn=∑iNiMi2∑iNiMiM_n=\frac{\sum_iN_iM_i^2}{\sum_iN_iM_i}
Mn=∑iNi∑iMiM_n=\frac{\sum_iN_i}{\sum_iM_i}

$$M_n=\frac{\sum_i N_iM_i}{\sum_iN_i}$$

Explication

La moyenne en nombre pondère chaque chaîne par son nombre, ce qui conduit à Mn=∑iNiMi∑iNiM_n=\frac{\sum_i N_iM_i}{\sum_iN_i}. La deuxième expression correspond à la moyenne en masse MwM_w.

26. Pourquoi la masse molaire moyenne en masse est-elle davantage influencée par les longues chaînes ?

Parce que chaque chaîne reçoit le même poids numérique
Parce que leur contribution comporte le terme Mi2M_i^2
Parce que les petites chaînes sont exclues du calcul
Parce que le dénominateur ne contient pas de masse molaire

Parce que leur contribution comporte le terme $$M_i^2$$

Explication

Dans Mw=∑iNiMi2∑iNiMiM_w=\frac{\sum_iN_iM_i^2}{\sum_iN_iM_i}, le carré de la masse molaire amplifie la contribution des chaînes longues. La moyenne en nombre, elle, compte les chaînes selon leur effectif.

27. Une distribution macromoléculaire ayant Mw=180 000 g mol−1M_w=180\,000\ \mathrm{g\,mol^{-1}} et Mn=120 000 g mol−1M_n=120\,000\ \mathrm{g\,mol^{-1}} possède quelle dispersité ?

I=60 000I=60\,000
I=300 000I=300\,000
I=0,67I=0{,}67
I=1,5I=1{,}5

$$I=1{,}5$$

Explication

La dispersité se calcule par I=MwMn=180 000120 000=1,5I=\frac{M_w}{M_n}=\frac{180\,000}{120\,000}=1{,}5. Une valeur inférieure à 1 serait incompatible avec la relation I≥1I\geq1.

28. Que désigne l’osmose à travers une membrane semi-perméable ?

Le transfert d’eau d’une solution diluée vers une solution concentrée
Le transfert d’eau d’une solution concentrée vers une solution diluée
Le transfert du soluté vers la solution la plus concentrée
Le transfert du polymère d’une solution concentrée vers une solution diluée

Le transfert d’eau d’une solution diluée vers une solution concentrée

Explication

L’osmose correspond au déplacement du solvant, ici l’eau, de la solution diluée vers la solution concentrée. Le soluté polymère ne traverse pas la membrane semi-perméable dans cette description.

29. Dans une chromatographie d’exclusion stérique, quelle fraction est généralement éluée en premier ?

Les molécules les plus concentrées, quelle que soit leur taille
Les grandes molécules, qui pénètrent peu dans les pores
Les molécules les plus polaires, quel que soit leur volume
Les petites molécules, qui explorent davantage les pores

Les grandes molécules, qui pénètrent peu dans les pores

Explication

Les grandes molécules accèdent peu aux pores et parcourent donc un chemin plus court, ce qui accélère leur élution. Les petites molécules pénètrent dans les pores et sortent plus tard.

30. Selon la relation de Mark-Houwink-Sakurada, comment est reliée la viscosité intrinsèqu'à la masse molaire ?

Par la relation [η]=MKα[\eta]=\frac{M}{K\alpha}
Par la relation [η]=K+Mα[\eta]=K+M^\alpha
Par la relation [η]=KM+α[\eta]=K M+\alpha
Par la relation [η]=KMα[\eta]=K M^\alpha

Par la relation $$[\eta]=K M^\alpha$$

Explication

La relation de Mark-Houwink-Sakurada s’écrit [η]=KMα[\eta]=K M^\alpha. Les paramètres KK et α\alpha dépendent notamment du polymère, du solvant et de la température.

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Qu'est-ce qu'une macromolécule selon Hermann Staudinger en 1922 ?

Une très grande molécule avec une masse moléculaire élevée.

Qui a introduit la notion de macromolécule en 1922 ?

Hermann Staudinger.

Qu'est-ce qu'un polymère ?

Une macromolécule formée par répétition covalente de sous-unités.

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