protokoll zum organisch- chemischen experimentalvortrag ... · diesen gehört ohne zweifel das...

Philipps-Universität Marburg

Fachbereich Chemie

Experimentalvortrag

Leitung: Prof. Dr. Neumüller, Dr. Reiß

SS 2010

Protokoll zum organisch-

chemischen Experimentalvortrag

- Polymere in Industrie & Technik -

Verfasst von:

Tobias Gerhardt Matr.-Nr.: 2015170

Frankfurter Str. 8 L3, 10. Semester

35037 Marburg Sport, Chemie

Abgabetermin: 29.06.2010

Protokoll zum organisch-chemischen Experimentalvortrag: Polymere in Industrie & Technik

2

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung ....................................................................................................................................... 3

2. Polymere und Makromoleküle ....................................................................................................... 3

3. Erstes industriell produziertes Polymer .......................................................................................... 5

3.1. Versuch 1 - Bakelit .................................................................................................................. 7

4. Industrieübergreifendes Polymer ................................................................................................. 10

4.1. Demonstration 1 - Plexiglas .................................................................................................. 11

5. Verpackungs- und Lebensmittelindustrie ..................................................................................... 15

5.1. Versuch 2 - Styropor in Joghurtbechern ............................................................................... 16

5.2. Versuch 3 - Essbares Einweggeschirr .................................................................................... 20

6. Medizintechnik ............................................................................................................................. 23

6.1. Versuch 4 - Drug delivery system (controlled drug release) ................................................. 23

7. Elektrotechnik .............................................................................................................................. 26

7.1. Demonstration 2 - Leitfähige Polymere ................................................................................ 27

8. Bauindustrie ................................................................................................................................. 31

8.1. Demonstration 3 - Polyurethanschaum ................................................................................ 31

8.2. Versuch 5 - Wärmedämmung durch PU-Schaum ................................................................. 34

9. Methodisch-didaktische Analyse .................................................................................................. 35

9.1. Einordnung der Versuche ..................................................................................................... 35

9.2. Versuchsaufwand ................................................................................................................. 36

9.3. Versuchsdurchführung ......................................................................................................... 36

Literaturverzeichnis .............................................................................................................................. 38

Abbildungsverzeichnis .......................................................................................................................... 39

Verzeichnis der Versuchsvorschriften .................................................................................................. 40


3

1. Einleitung

Polymere sind in der heutigen Zeit aus der Industrie, der Technik und der alltäglichen

Anwendung nicht mehr wegzudenken. Viele der tagtäglich benutzten Gegenstände

wären ohne die Forschungen auf dem Gebiet der Polymer- bzw. Makromolekularen

Chemie gar nicht existent.

Dieser Experimentalvortrag beschäftigt sich mit ausgewählten Einsatzgebieten der

Industrie- und Technikzweige und zeigt anhand von Beispielen die unzähligen

Einsatzmöglichkeiten der modernen Polymere auf. Dazu wird zunächst ein kurzer

Überblick über die Definitionen von Polymeren und Makromolekülen gegeben, bevor

ein geschichtlicher Abschnitt die Entdeckung des ersten dann auch industriell

produzierten Kunststoffs beschreibt. Darauf folgend werden Versuche und

Demonstrationen zu den Bereichen Verpackungs- und Lebensmittelindustrie,

Medizintechnik, Elektrotechnik und Bauindustrie vorgestellt und erläutert. Ebenso

wird das erste industriell produzierte Polymer hergestellt sowie ein Kunststoff, der

sich in viele verschiedene Industrie- und Technikbereiche einordnen lässt.

Den Abschluss bildet die methodisch-didaktische Analyse der Versuche, wobei vor

allem der Einsatz im Schulunterricht thematisiert wird.

2. Polymere und Makromoleküle

Makromoleküle sind „große“ Moleküle, welche sich durch die Wiederholung von

konstitutiven Einheiten innerhalb ihrer Molekülstruktur auszeichnen. Diese

sogenannten großen Moleküle besitzen im Allgemeinen eine Molmasse von 1000 bis

10000 g/mol. Die Abteilung der Chemie, welche sich mit der Erforschung der

Strukturen, der Synthese und den Eigenschaften dieser Makromoleküle beschäftigt,

ist dementsprechend die makromolekulare Chemie.

Konstitutive Einheiten (auch Grundbausteine genannt) sind die kleinsten, regelmäßig

wiederkehrenden Strukturelemente innerhalb eines Makromoleküls. Sie werden

durch ionische, kovalente oder Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verknüpft

und beschreiben den Aufbau der molekularen Kette vollständig. Gebildet werden sie

aus den Monomeren. Das Makromolekül Polypropylen (PP) besteht z.B. aus vielen


4

Propen-Monomeren, welche die im Folgenden dargestellten konstitutiven Einheiten

bilden:

CH2

CH3

CH3

n

Abb. 1: Monomer Propen (links) und der Grundbaustein des Polypropylen (rechts)

Der Begriff „Polymer“ wird oftmals als Synonym für ein großes, aus konstitutiven

Einheiten aufgebautes Makromolekül verwendet, ohne dass man genau weiß, ob es

sich tatsächlich um ein Polymer handelt. Bei der Klassifizierung der Makromoleküle

lassen sich diese z.B. anhand ihrer Größe einordnen. Bestehen sie aus zwei

Grundbausteinen, so bilden sie ein Dimer; bei drei Grundbausteinen ein Trimer. Bei

ein paar wenigen Grundbausteinen (die genaue Anzahl ist je nach Quelle

verschieden und schwankt zwischen 4-6 und 10-30) spricht man von einem

Oligomer. Besitzen diese Makromoleküle nun eine Molmasse von 1000 bis

10000 g/mol, so werden sie Pleionomere genannt. Erst ab einer Molmasse von über

10000 g/mol spricht man von Polymeren1.

Des Weiteren werden sie klassifiziert nach ihrer Zusammensetzung, ihrer Herkunft

oder ihrer molekularen Struktur. Die Zusammensetzung gibt hierbei an, ob es sich

um Unipolymere oder Copolymere handelt. Unipolymere sind „reine“ Polymere, d.h.

sie bestehen nur aus einer Art von Grundbausteinen, während die Copolymere aus

verschiedenen Grundbausteinen aufgebaut sind. Dabei lassen sich weitergehend

Bipolymere (2 Grundbausteine), Tripolymere (3 Grundbausteine) und

Quartärpolymere (4 Grundbaustein) unterscheiden. Oftmals werden Unipolymere

durch Zusatzstoffe zu Copolymeren gemacht, um deren Eigenschaften in

spezifischer Weise zu verändern, z.B. um sie schlagfester zu machen. Nach ihrer

Herkunft1 lassen sie sich unterteilen in anorganische Polymere, dazu zählen

Polyphosphate und Silikone, sowie in organische Polymere. Aufgrund seiner

Elektronenkonfiguration ist der Kohlenstoff besonders gut für die Polymersynthese

geeignet, weswegen den organischen Polymeren ein deutlich höherer Stellenwert

zukommt. Bei den organischen Polymeren wird weitergehend unterschieden in:

1 Lechner, M. D.; Gehrke, K.; Nordmeier, E. H.: Makromolekulare Chemie. S. 2. 4. überarbeitete und erweiterte Auflage. Berlin: Springer. 2010.


5

natürliche Polymere (Biopolymere): Stärke, Cellulose, DNA etc.

chemisch modifizierte Polymere: Cellulosetrinitrat (Schießbaumwolle),

Zelluloid

synthetische Polymere: Polypropylen, Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC)

Die in der Industrie eingesetzten Polymere sind nicht immer nur synthetische

Polymere, sondern in vielen Fällen auch Biopolymere wie z.B. Stärke für Essgeschirr

oder sonstige Backwaren.

Die molekulare Struktur der Polymere unterteilt sich in lineare oder verzweigte

(Thermoplasten), weitmaschig vernetzte (Elastomere) oder engmaschig vernetzte

(Duroplasten) Polymere.

Abb. 2: Schematische Struktur eines Thermoplasten (links), eines Elastomers (Mitte) und eines Duroplasten (rechts)

Thermoplasten können durch Erwärmen erweicht und dann leicht verformt werden,

wobei sie dann während des Auskühlens in dieser Form erstarren. Werden sie

allerdings zu hoch erhitzt, so zersetzen sie sich. Beispiele für Thermoplasten sind

Joghurtbecher oder CD-Hüllen aus Polystyrol. Elastomere sind sehr flexibel und

können bis zu einem gewissen Grad gedehnt werden, wobei sie aufgrund ihrer

weitmaschigen Vernetzung im Anschluss wieder in ihre alte Form zurückkehren (z.B.

Luftballons oder Gummis). Sie lassen sich durch Erwärmen und Abkühlen aber nicht

in ihrer Form verändern. Die Duroplasten sind sehr harte und spröde Materialien,

was durch ihre engmaschige Vernetzung bedingt ist. Beim Erhitzen zersetzen sie

sich ab einer bestimmten Temperatur.

3. Erstes industriell produziertes Polymer

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war die Elektrizität stark auf dem Vormarsch und die

Forschung war sehr daran interessiert für die aufkommenden elektrischen Geräte


6

und Hochspannungsleitungen kostengünstige Isolationsmaterialien zu entwickeln.

Zuvor wurden dazu Schellack und Kautschuk verwendet. Allerdings besaßen diese

zwei große Nachteile. Schellack ist eine natürliches Harz, welches aus den

Ausscheidungen der Lackschildlaus gewonnen wurde. Da diese aber mit ihrer

natürlichen „Produktion“ den Bedarf bei weitem nicht decken konnten, stieg der Preis

für Schellack immer weiter in die Höhe. Kautschuk hingegen war zwar relativ

preisgünstig produzierbar, hatte aber den Nachteil, dass es den oftmals hohen

Strombelastungen nicht standhalten konnte und so relativ schnell durchbrannte.

Zu diesem Zeitpunkt war den Forschern die Kondensationsreaktion zwischen Phenol

und Formaldehyd bereits bekannt und sie versuchten auf Grundlage ihrer damaligen

Kenntnisse mithilfe dieser Reaktion einen elektrisch isolierenden Kunststoff

herzustellen. Phenol fiel zu diesem Zeitpunkt in großen Mengen als Abfallprodukt bei

der Steinkohledestillation an und Formaldehyd konnte relativ leicht aus Holz

gewonnen werden, wodurch man sich eine sehr preisgünstige Produktion erhoffte.

Dem belgisch-amerikanischen Chemiker Leo Hendrik Baekeland gelang es

schließlich durch seine Experimente mit Formaldehyd und Phenol in den Jahren

1905 - 1907 ein hartes Kunstharz herzustellen. Dazu nutzte er einen von ihm

entwickelten Druckkessel, dem „Bakelizer“. Dieser ermöglichte es ihm, die

Temperatur unter Überdruck genau anzupassen und zu kontrollieren.

Abb. 3: Bakelizer (?)

Das Reaktionsprodukt nannte er nach seinem Namen Bakelit. Es war weder brenn-

noch schmelzbar, ließ sich nicht in Säure auflösen und leitete nicht den elektrischen

Strom. Goss man es flüssig in eine Form und ließ es aushärten, so behielt es diese

Form auch unter Hitzeeinwirkung bei. Es stellte somit den ersten hitzebeständigen

Kunststoff dar, einen Duroplasten. Im Jahr 1907 meldete Baekeland sein Verfahren

an und erhielt das Hitze-Druck-Patent. Ab 1910 wurde Bakelit dann großtechnisch

produziert und war ab diesem Zeitpunkt nahezu überall zu finden: als Isolator für

Hochspannungsleitungen und Glühbirnenfassungen, als Füllfederhalter und


7

Aschenbecher etc. Am bekanntesten sind wohl der Fernsprechapparat W48 und die

Schaltersysteme in alten Häusern.

Abb. 4: Fernsprechapparat W48

Abb. 5: Schaltersystem aus Bakelit

Des Weiteren führte Bakelit dazu, dass sich nun auch die bürgerlichen Familien

Rundfunkempfänger leisten konnten, da die zuvor aus Holz gefertigten Radios sehr

teuer waren. Aber durch die Produktion aus Bakelit fiel ihr Preis praktisch ins

Bodenlose. Auch heute noch wird Bakelit überall dort eingesetzt, wo eine

mechanische und thermische Belastbarkeit (Schleifscheiben), Brandresistenz

(flammenhemmende Mittel in Schaumstoffen) und/oder chemische Beständigkeit von

Nöten ist.

3.1. Versuch 1 - Bakelit

Chemikalien

Name Formel R-Sätze S-Sätze Gefahren-

symbol

Einsatz in

der Schule

Natronlauge

(c = 2 mol/L) NaOH 35 26-37/39-45 C SI

Formaldehyd

(w = 0,37) CH2O(aq) 23/23/25-34-40-43 26-36/37/39-45-51 T SI

Resorcin C6H4(OH)2 22-36/38-50 26-61 Xn, N SI

Materialien

Reagenzglas, Reagenzglasklammer, Reagenzglasständer, Bunsenbrenner, Spatel,

Pipette, Feuerzeug

Zeitbedarf

Vorbereitung: 2 min. Durchführung: 5 min. Nachbereitung: 2 min.


8

Versuchsaufbau

Resorcin, Formaldehyd, Natronlauge

Abb. 6: Versuchsaufbau

Versuchsdurchführung

In das Reagenzglas werden etwa 2 g Resorcin gefüllt und mit 3 mL

Formaldehydlösung versetzt. Anschließend werden etwa 5 Tropfen Natronlauge

hinzugegeben und das Gemisch vorsichtig über dem Bunsenbrenner erhitzt.

Beobachtungen

Das Resorcin löst sich vollständig auf und die Lösung beginnt zu sieden. Langsam

verfärbt sich die Lösung rötlich. Nach etwa 3 Minuten erstarrt sie auf einmal zu einem

dunklen, rötlichen Feststoff.

Abb. 7: Reaktionsprodukt im Reagenzglas (oben) und herausgelöst (unten)

Entsorgung

Der Feststoff wird mit dem Reagenzglas in die Feststofftonne gegeben.

Fachliche Analyse

Zunächst reagiert ein Resorcin-Molekül mit Natronlauge bzw. wird durch die

Natronlauge deprotoniert und somit für einen elektrophilen Angriff aktiviert. Es kommt

dann zu einer elektrophilen aromatischen Substitutionsreaktion (SE-Ar) zwischen

einem Formaldehyd-Molekül und dem deprotonierten Resorcin.


9

OH

OH

- H2O

+ OH-

O

OH

H O- O

-

OH

OHO-

OH

O

H H

Im Anschluss erfolgt die Abspaltung einer Hydroxy-Gruppe und es wird eine

Doppelbindung zwischen dem Ring des Resorcins und dem Kohlenstoff-Atom des

ehemaligen Formaldehyd-Moleküls ausgebildet. An dieser Doppelbindung kann nun

ein weiteres Resorcin-Molekül nucleophil angreifen.

O-

OH

OH O-

O

OHOH

H- OH-

O

OH

CH2

O-

OH

Auf diese Weise werden die Resorcin-Moleküle untereinander verknüpft. Durch viele

weitere Reaktionen bildet sich nun ein engmaschig vernetztes Makromolekül, das

Bakelit (siehe auch Abb. 8).

O-

OH

OHOH

O OH

OHOH

CH2

O

H H

- OH-

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H


10

Abb. 8: Schematische 3D-Darstellung des Bakelitnetzwerks

4. Industrieübergreifendes Polymer

Manche synthetischen Polymere besitzen ein so großes Einsatzgebiet, dass sie sich

nur schwer lediglich einem Industrie- oder Technikbereich zuordnen lassen. Zu

diesen gehört ohne Zweifel das Polymethylmethacrylat (PMMA), besser bekannt

unter dem Markennamen Plexiglas. Es handelt sich hierbei um einen amorphen,

thermoplastischen Kunststoff, d.h. es besitzt die Struktur einer eingefrorenen

Schmelze. PMMA besitzt keine geordnete Struktur, sondern nur ein unregelmäßiges

Muster, welches zwar eine Nah- aber keine Fernordnung aufweist. Es ist glasklar,

witterungsbeständig und sehr hart, gleichzeitig aber wesentlich leichter als normales

Glas. 1928 wurde das Verfahren zur Produktion von PMMA von Otto Röhm patentiert

und fünf Jahre später begann die industrielle Produktion. Aufgrund seiner sehr guten

optischen Eigenschaften wurde es für Lupen und Prismen verwendet. Ab dem ersten

Produktionsjahr wurden auch die ersten Kontaktlinsen aus Plexiglas hergestellt.

PMMA ist beständig gegen die meisten Chemikalien, außer Chlorkohlenwasserstoffe,

benzolhaltiges Benzin, Nitrolacke und Nitroverdünnungen sowie konzentrierte

Säuren. PMMA wird aus dem Monomer Methylmethacrylat (ein Ester) hergestellt.

Wird PMMA verbrannt, so ist ein süßlicher, fruchtiger Geruch festzustellen, welcher

durch die Rückbildung des Monomers entsteht.

Produziert wird PMMA im Kammerverfahren, welches im kleinen Maßstab im

folgenden Versuch eingesetzt wurde.


11

4.1. Demonstration 1 - Plexiglas

Chemikalien


symbol

Einsatz in

der Schule

Methylmethacrylat CH2C(CH3)COOCH3 11-37/38-43 24-37-46 F, Xi SI

Dibenzoylperoxid (C6HCO)2O2 3-7-36-43 3/7-14-36/37/39 E, Xi LV (wirkt

allergisierend)

Wasser H2O - - - SI

Materialien

Magnetrührer mit Rührfisch, Wasserbad, Stativmaterial (Platte mit Gewindestange,

Doppelmuffe, Klemme), Spatel, Waage, Filterpapier, Erlenmeyerkolben (50 mL),

Arbeitshandschuhe, Thermometer, PVC-Schlauch, fester Draht, 2 Glasplatten (15 x

15 cm), 4 Schlauchklemmen, Hammer, Skalpell oder Rasierklinge

Zeitbedarf


Versuchsaufbau

Abb. 9: Erwärmen im Wasserbad

Abb. 10: Vorbereitete Gießform


Zunächst wird aus den beiden Glasplatten mithilfe des PVC-Schlauchs eine U-

förmige Form hergestellt. In den PVC-Schlauch wird dabei der Draht eingezogen, um

den Schlauch zu stabilisieren. Dann werden die Glasplatten mit Schraubklemmen an

den Ecken zusammengepresst.

Anschließend werden in dem Erlenmeyerkolben 50 mL Methylmethacrylat mit 2 g

Dibenzoylperoxid versetzt und dieses vollständig darin gelöst. Nun wird die Lösung

mithilfe des Stativs in das Wasserbad abgesenkt und so für etwa 20 Minuten bei 65-

75 °C erwärmt.


12

Sobald die Lösung deutlich viskoser geworden ist, wird sie in die vorbereitete Form,

d.h. zwischen die Glasplatten gegossen. Die Form wird nun noch für etwa 45

Minuten im Trockenschrank bei etwa 75-80 °C erwärmt.

Anschließend kann die Form aus dem Trockenschrank entnommen und das Produkt

vorsichtig von der Form gelöst werden.

Zum Schluss wird die Schlagfestigkeit des Produkts mit der von normalem

Fensterglas verglichen.

Beobachtungen

Während des Erwärmens im Wasserbad wird die Lösung zusehends viskoser. Beim

Einfüllen in die Form sinkt die Lösung auf den Boden ab und bildet eine klare

farblose Masse.

Nach dem Erhitzen im Trockenschrank ist die Masse fest geworden. An der

Unterseite sieht sie wie Glas aus, aber in der oberen Hälfte ist eine Vielzahl an

Blasen zu sehen. Der Schlauch ist fest an das Produkt gebunden und muss mit

einem Skalpell abgetrennt werden. Das Produkt ist deutlich leichter als Glas.

Von der Glasscheibe lässt sich darüber hinaus eine dünne, flexible, durchsichtige

und farblose Folie ablösen.

Das normale Glas zersplittert beim Schlag mit dem Hammer, während das

hergestellte „Glas“ den Schlägen wiederstehen kann.

Abb. 11: Die Form nach dem Eingießen der Lösung

Abb. 12: Die Produkte. Links das feste Produkt, rechts die flexible Folie.

Entsorgung

Das Produkt, der PVC-Schlauch und der Erlenmeyerkolben werden im Feststoffabfall

entsorgt. Alle anderen Materialien können wieder verwendet werden.


13

Fachliche Analyse

Die industrielle Produktion erfolgt ausschließlich durch die radikalische

Polymerisation im Kammerverfahren. Dabei wird ein Gemisch aus Vorpolymerisat,

Initiator und Vernetztern oder Comonomeren zwischen zwei Silicatglasscheiben

gegossen und mit Druck bis zur vollständigen Aushärtung gepresst.

Die Reaktion verläuft dabei nach dem Radikalkettenmechanismus. Zunächst wird

Dibenzoylperoxid durch Wärmezufuhr gespalten. Nach der Decarboxylierung

entstehen zwei Phenylradikale (Radikalbildung).

O

OO

O

O

O2 2 + C

O

O

2

Die Radikale können nun ein Methylmethacrylat-Monomer in einer radikalischen

Reaktion angreifen (Startreaktion), wobei ein neues Radikal gebildet wird.

CH2 CH3

OO

CH3

+C

CH3

OO

CH3

Dieses reagiert nun wieder mit einem weiteren Monomer, wodurch sich schließlich

eine lange Kette bildet (Kettenfortpflanzung).

C

OO

CH3

CH3 CH3 CH3

OO

CH3

OO

CH3

OO

CH3

CH3

CCH3

OO

CH3

+

CH2 CH3

OO

CH3

Die Reaktion kann durch die Abbruchreaktionen gestoppt werden, wobei jeweils zwei

Radikale miteinander reagieren. Dies kann zum einen durch Disproportionierung und

zum anderen durch Rekombination geschehen. Bei der Disproportionierung wird ein

Wasserstoffatom von einem auf das andere Radikal übertragen, wobei bei ersterem

eine Doppelbindung gebildet wird.


14

R1

C

CH3

OO

CH3

OO

CH3

CH3

H H

R2

C

CH3

O O

CH3

O O

CH3

CH3

H H

R1

CH3

OO

CH3

OO

CH3

CH3

H H

HR

2CH3

O O

CH3

O O

CH3

CH3

H

+

Bei der Rekombination bilden die Radikalelektronen lediglich eine neue Bindung

zwischen den beiden Molekülen aus.

R1 C

CH3

OO

CH3

R2C

CH3

O O

CH3

+O

CH3

CH3

O

CH3

CH3

O O

R1

R2

Die Eigenschaften von PMMA lassen sich durch die Bildung von Copolymeren

wesentlich verändern. So kann mit einem Anteil von <10 Massenprozent an

Butylacrylat schlagfestes PMMA gebildet werden. Dieses ist aber relativ teuer.

CH2O CH3

O

Abb. 13: Butylacrylat

OO

CH3 CH3

OO

CH3

OO OO

CH3

CH3 CH3

Abb. 14: Copolymer aus Methylmethacrylat und Butylacrylat

Aber auch reines PMMA besitzt bereits eine sechsmal höhere Schlagzähigkeit als

Glas, bei einem deutlich geringeren Gewicht. Daher werden Copolymerisate von

PMMA nur dort eingesetzt, wo eine gute Qualität von hoher Bedeutung ist, z.B. bei

der Verglasung von Flugzeugen und Hubschraubern oder Aquarienschaufenstern,

wie dem Monterrey Bay Aquarium in Kalifornien. Dieses besitzt eine 16,6 m lange,

5,5 m hohe und 33 cm dicke Scheibe aus einem PMMA-Copolymerisat, um dem

ungeheuren Wasserdruck standhalten zu können. Ein weiterer Vorteil gegenüber

echtem Glas ist, dass es bei einer Glasscheibe von 33 cm Dicke nicht mehr möglich

wäre hindurch zu sehen.


15

Abb. 15: Monterrey Bay Aquariumsscheibe

Homopolymeres PMMA wird darüber hinaus für Brillengläser und Kontaktlinsen,

Autoleuchten, Uhrgläser, Schutzverkleidung für Maschinen, Sanitärbauteile, Rohre in

der Getränkeindustrie und vieles mehr verwendet.

5. Verpackungs- und Lebensmittelindustrie

In der Verpackungs- und Lebensmittelindustrie werden viele verschiedene Polymere

eingesetzt, so z.B. Polyethylen (PE) für Verpackungsfolien, Polystyrol für CD-Hüllen,

als Füllmaterial in aufgeschäumter Form (Styropor) und als Joghurtbecher,

Polyethylentherephthalat (PET) für Getränkeflaschen und Polytetrafluorethylen

(PTFE) für Pfannenbeschichtungen (auch bekannt als Teflon). Auch zumindest ein

Biopolymer spielt eine wichtige Rolle in der Industrie, die Stärke. Ihr Hauptteil wird in

der Lebensmittelindustrie für die Herstellung von Süßwaren, Backwaren und

Milchprodukten verwendet. Im Jahr 2008 entsprach dies einem Anteil von 56 %2

(etwa 1,02 Mio. t) der in Deutschland verfügbaren Stärke. Die restliche Stärke wird

für Papier, Wellpappe und in der chemischen, Fermentations- und technischen

Industrie verwendet, z.B. für Bioethanol.

2 Fachverband der Stärke-Industrie e.V.: Zahlen &Daten zur deutschen Stärke-Industrie. Zu finden unter URL: http://www.staerkeverband.de/html/zahlen.html. Letzter Zugriff am 26.06.2010.


16

5.1. Versuch 2 - Styropor in Joghurtbechern

Chemikalien


symbol

Einsatz in

der Schule

Essigsäureethylester CH3COOC2H5 11-36-66-67 16-26-33 F, Xi SI

n-Pentan C5H12 12-65-66-67-51/53 9-16-29-33-61-62 F+, Xn, N

SI (ab 16

Jahren)

Wasser (entsalzt.) H2O - - - SI

Materialien

Waage, Polystyrolbecher, Becherglas (100 mL), Messzylinder (25 mL),

Erlenmeyerkolben (250 mL), 2 Bechergläser (250 mL), 2 Uhrgläser, Magnetrührer,

Pinzette, Schere

Zeitbedarf


Versuchsaufbau

Abb. 16: Intakter (links) und in Streifen geschnittener Becher (rechts)


In einem Becherglas werden 200 mL Wasser bis zum Sieden erhitzt. Dabei wird der

Becher in kleine Schnipsel geschnitten und 1 g der Schnipsel werden in 10 mL

Essigsäureethylester aufgelöst. In das zweite 250 mL Becherglas werden 100 mL

Pentan gegeben. Nun wird die Essigsäureethylester-Lösung in das Pentan

dekantiert, damit die festen Rückstände im Becherglas zurückbleiben.

Das Pentan wird daraufhin umgeschwenkt, bis sich ein dicker weißer Klumpen in der

Mitte gebildet hat. Dieser wird mit der Pinzette entnommen und für etwa 30

Sekunden auf einem Uhrglas platziert.


17

Anschließend wird der Klumpen in das Becherglas mit dem siedenden Wasser

gegeben.

Beobachtungen

Die Schnipsel lösen sich zum Teil im Essigsäureethylester auf, jedoch bleibt ein Teil

ungelöst zurück. Während des Abdekantierens bilden sich im Pentan weiße

Ausfällungen und beim Umschwenken entsteht eine weißer Klumpen in der Mitte des

Becherglases. Dieser ist etwas klebrig und bläht sich nach dem Überführen in das

siedende Wasser auf.

Abb. 17: Gelöster Becher

Abb. 18: Wiederaufgeblähtes Produkt

Entsorgung

Die restlichen organischen Lösungen werden neutral in die organischen

Lösemittelabfälle entsorgt. Das Wasser wird in den Ausguss gegeben und das

Produkt wird trocken im Feststoffabfall entsorgt.

Fachliche Analyse

Der Joghurtbecher besteht überwiegend aus Polystyrol. Dieses ist ein stark

unpolares Molekül. Essigsäureethylester ist ebenfalls überwiegend unpolar. Die

Stoffe weisen die folgenden Strukturen auf.

H H H H

Abb. 19: Polystyrol

CH3 O

O

CH3 Abb. 20: Essigsäureethylester

Der Lösevorgang in Essigsäureethylester stellt einen rein physikalischen Vorgang

dar. Nach dem Grundsatz „Gleiches löst sich in Gleichem“ lässt sich das unpolare


18

Polystyrol relativ gut im überwiegend unpolaren Essigsäureethylester lösen. Dabei

dringt das Lösemittel in die Zwischenräume der Polymerketten ein und hebt so die

teilkristalline Struktur des Polystyrols auf. Die Ketten werden also vom Lösemittel

vollständig umlagert und liegen dann gelöst in diesem vor. Gibt man das Gemisch

nun in Pentan, so kommt es zur Agglomeration der Polystyrolketten, d.h. sie lagern

sich wieder ungeordnet zusammen und bilden einen klebrigen Klumpen aus Styrol-

Monomeren. Dabei lagert sich nun das Pentan in den Zwischenräumen ein und

umgibt die Polymerketten vollständig. Wird das Agglomerat nun im siedenden

Wasserbad erhitzt, so verdampft das Pentan (Sdp.: 36 °C) und dehnt sich dabei aus.

Dadurch werden die Polymerketten des Polystyrols auseinander gedrückt, was zur

Aufblähung des weißen Klumpens führt. Nach kurzem ist der Klumpen erstarrt und

hat nun eine Struktur, die stark an Styropor erinnert. Auch hierbei handelt es sich

lediglich um mit Pentan aufgeblähtes Polystyrol. Allerdings werden dem Styropor vor

dem Aufblähen noch bestimmte Stoffe zugesetzt, damit die Blasen- und

Porenbildung kontrollierter ablaufen und sich Blasen bestimmter Größenordnungen

bilden.

Entdeckt wurde das Polystyrol 1839 von Eduard Simon. Dieser experimentierte mit

Styrol, welches er aus dem Storaxbaum extrahierte und welches dann unbeabsichtigt

polymerisierte. Trotz der frühzeitigen Entdeckung dauerte es noch fast ein

Jahrhundert, nämlich bis 1931, bevor das Polystyrol von I.G. Farben großtechnisch

produziert wurde.

In der Industrie wird Polystyrol durch die radikalische Polymerisation von Styrol

hergestellt, welche im Grunde dem Mechanismus der PMMA-Produktion entspricht,

weswegen hier nur noch einmal kurz der Mechanismus dargestellt ist. Auch hier kann

Dibenzoylperoxid als Radikalstarter dienen. Das Phenylradikal greift dann ein Styrol-

Molekül an, wodurch sich ein neues Radikal bildet und in einer

Fortpflanzungsreaktion lange Ketten entstehen.

Kettenstart:

CH

+

CH2


19

Kettenfortpflanzung:

+

CH2CH CH

H H H H

Der Kettenabbruch erfolgt auch hier entweder durch Disproportionierung oder

Rekombination.

In der Industrie erfolgt die Polymerisation in einem statischen Mischer.

Abb. 21: Schematische Darstellung des statischen Mischers

Dabei wird das erwärmte Reaktionsgemisch (Styrol-Monomere, Wasser,

Radikalstarter) in den Mischer geleitet wo es unter Abkühlung polymerisiert und am

Ende als Polymerketten wieder austritt. Die Ausbeute liegt bei etwa 90 %. Alle nicht

polymerisierten Monomere werden anschließend bei 230 °C abgedampft und wieder

dem Mischer zugeleitet, wodurch keine Abfallprodukte gebildet werden. Das Polymer

liegt dann als harter, glasklarer und spröder Kunststoff vor und wird als Granulat an

die Kunden ausgeliefert. Es kann nun durch Thermoformung (z.B. Tiefziehen)

problemlos verarbeitet werden.


20

5.2. Versuch 3 - Essbares Einweggeschirr

Chemikalien


symbol

Einsatz in

der Schule

Natriumhydrogenc

arbonat NaHCO3 - 22-24/25 - SI

Mehl - - - - SI

Kartoffelstärke C6H10O5 - - - SI

Wasser (entsalzt) H2O - - - SI

Materialien

2 Bechergläser (250 mL), Spatel, Waffeleisen (oder Heizplatte), Waage, evtl.

Pfannenwender

Zeitbedarf


Versuchsaufbau

Abb. 22: Versuchsaufbau


In einem Becherglas werden 45 g Kartoffelstärke, 36 g Natriumhydrogencarbonat

und 0,15 g Mehl gegeben und gut miteinander vermischt. In das zweite Becherglas

werden 50 mL Wasser gegeben. Nun wird das Pulvergemisch langsam und unter

ständigem Rühren zu dem Wasser gegeben.

Nachdem sich eine homogene Masse gebildet hat, wird davon etwas auf das

Waffeleisen gegeben, dieses geschlossen und die Masse etwa 4 Minuten gebacken.


21

Beobachtungen

Beim Einfüllen des Pulvergemisches in das Wasser entsteht eine immer dicker und

viskoser werdende weiße Masse. Diese beginnt auf der Heizplatte leicht zu blubbern

und bildet beim Backen dunkelbraune, teils schwarze feste Waffeln.

Entsorgung

Die gesamte Masse wird zu Waffeln verarbeitet. Wurde nur mit nicht

Labormaterialien und -chemikalien gearbeitet, so können die Waffeln verzehrt

werden. Ansonsten müssen sie in den Feststoffabfall gegeben werden.

Fachliche Analyse

Stärke ist ein Homoglykan aus Glucose-Einheiten und bildet zwei verschiedene

Strukturen. Zum einen liegt sie als Amylosehelix vor (20-30 %). Hierbei sind die

Glucoseeinheiten über 1-4-α-glykosidische Bindungen verknüpft sind. Zum anderen

bilden sie Amylopektin (70-80 % der Stärke), wobei die Glucoseeinheiten neben den

1-4-α- auch über 1-6-α-glykosidische Bindungen verknüpft werden. Sie sind hier also

weiter verzweigt.

Abb. 23: Schematische Darstellung von Amylose (links) und Amylopektin (rechts)

Im Versuch wirken Stärke und Mehl als Superabsorber und Verdickungsmittel. Das

heißt, sie nehmen das Wasser in ihre Strukturen auf, indem es zwischen die

Molekülketten eingelagert wird. Dies geschieht durch die Ausbildung von

Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen und den Hydroxy-

Gruppen der Stärkemoleküle.


22

O

O

OH

O

CH2OH

O

HHO

Hn

Abb. 24: Beispiel einer Wasserstoffbrückenbindung

Dadurch kommt es zu einer Erhöhung der Viskosität der entstehenden Lösung.

Zusätzlich quellen die Stärkemoleküle durch die Einlagerung auf. Während des

Erhitzens auf der Heizplatte beginnt das eingelagerte Wasser zu sieden und

verdampft, wodurch die Masse noch stärker aufquillt. Aufgrund des Wasserverlustes

bekommt die Masse eine gelartige Konsistenz und erstarrt beim Abkühlen in ihrer

momentanen Form. Zusätzlich wirkt das Natriumhydrogencarbonat als Treibmittel, da

bei der thermischen Zersetzung gasförmiges Kohlenstoffdioxid entsteht, welches

dann entweicht und so die Blasenbildung verstärkt.

Die gleiche Reaktion sorgt auch beim Kuchenbacken für das bekannte Aufgehen des

Kuchens. Genutzt wird diese Reaktion für die Herstellung von Essgeschirr. Dieses ist

für die Natur wesentlich besser verträglich als Papp- oder Kunststoffgeschirr, da es

nur aus biologisch abbaubaren Stoffen hergestellt wird und durch Verbrennung,

Kompostierung, Biovergasung oder als Tierfutter entsorgt werden kann. Darüber

hinaus kann es nach dem Essen auch verzehrt werden. Allerdings besitzt es keinen

Eigengeschmack, schmeckt also sehr fade, da bei der Produktion keine

Geschmacksstoffe zugesetzt werden.

Abb. 25: Essbare Snack-Schale, z.B. für Pommes frites


23

6. Medizintechnik

In der Medizintechnik begann die Forschung mit Polymeren gegen Ende des zweiten

Weltkrieges, da sich zeigte, dass bei amerikanischen Soldaten nach der Verletzung

durch Kunststoffsplitter keine Abwehrreaktionen des Körpers zu beobachten waren.

Mittlerweile ist die Forschung auf diesem Gebiet soweit fortgeschritten, das biostabile

Prothesen und Implantate in den menschlichen Körper als Ersatz für die natürlichen

Gewebe/Organe eingebaut werden können (z.B. Kunststoffzähne, welche mit

zahnfleischfarbenem Kunststoff verbunden sind3). Auch chirurgisches Nahtmaterial

und Klebstoffe für Wunden wurden entwickelt. Ersteres hat den Vorteil, dass der

Patient nicht noch einmal zum Fädenziehen zum Arzt muss, da das Nahtmaterial

vom Körper abgebaut wird. Wundkleber wird vor allem bei kleinen Kindern und alten

Menschen verwendet, da der Klebstoff die Wunden in Sekundenschnelle verschließt,

keine Anästhesie notwendig ist und die relativ dünne Haut bei diesen Patienten

geschont wird.

6.1. Versuch 4 - Drug delivery system (controlled drug release)

Chemikalien


symbol

Einsatz in

der Schule

Natronlauge

(pH = 7,5) NaOH 35 26-37/39-45 C SI

Salzsäure

(pH = 5) HCl 34-37 26-45 C SI

Aspirin - - - - SI

Aspirin protect - - - - SI

Materialien

4 Demoreagenzgläser mit Ständer, Magnetrührer mit Rührfisch, Becherglas (1 L) als

Wasserbad, Tropfpipette, Thermometer, pH-Papier, Glasstab

3 Zahnkunst Markus Koch Establishment: Prothesen aus Kunststoff. Zu finden unter URL: http://www.zahnkunst.li/kategorie1/seite2/5088119876143a816/index.html. Letzter Zugriff am 25.06.2010.


24

Zeitbedarf


Versuchsaufbau

Abb. 26: Links erwärmte Salzsäure, rechts erwärmte Natronlauge


Jeweils etwa 25 mL der Salzsäure werden in zwei Demoreagenzgläser gegeben,

ebenso wird die Natronlauge aufgeteilt. Die Lösungen werden dann im Wasserbad

auf etwa 37 °C (Körpertemperatur) erwärmt. Nun gibt man eine normale

Aspirintablette in ein Reagenzglas mit Salzsäure und eines mit Natronlauge. Ebenso

verfährt man mit Aspirin protect.

Nach etwa 15 Minuten prüft man mit dem Glasstab die Aspirin protect-Tabletten auf

ihre Festigkeit.

Beobachtungen

Die normale Aspirintablette zerfällt schnell; sowohl in Salzsäure als auch in

Natronlauge löst sie sich auf. Die Aspirin protect zeigt in der Salzsäure keine

Reaktion. In der Natronlauge hingegen quillt sie nach etwa 15 Minuten auf. Mit dem

Glasstab kann sie zerdrückt werden, wobei ein weißes Pulver aus ihr entweicht.

Abb. 27: Die normale Aspirin in Salzsäure (links) und Natronlauge (rechts)

Abb. 28: Aspirin protect in Salzsäure (links) und Natronlauge (rechts)


25

Entsorgung

Die festen Bestandteile werden abfiltriert und trocken in den Feststoffabfall entsorgt.

Die Lösungen können neutral in den Ausguss gegeben werden.

Fachliche Analyse

Normale Aspirintabletten bestehen lediglich aus dem Wirkstoff Acetylsalicylsäure

(ASS), Maisstärke und Cellulosepulver. Dies sind alles polare Verbindungen, welche

sich leicht in Wasser lösen lassen, indem sie Wasserstoffbrückenbindungen zu den

Wassermolekülen aufbauen. ASS hat allerdings den Nachteil, dass sie in vielen

Fällen Magengeschwüre und schwere Magenblutungen verursachen und dadurch im

schlimmsten Falle sogar den Tod herbeiführen kann4. Aus solchen Gründen wurde

begonnen nach Trägermaterialien für Pharmaka zu forschen, die den Wirkstoff nur

an bestimmten Zielorten freisetzen, wo er dann nur noch seine heilende, nicht aber

schädigende Wirkung besitzt. Dabei wurden magensaftresistente Überzüge (dürfen

sich mind. 2 Stunden lang nicht in Salzsäure, 0,1 mol/L, auflösen) entwickelt, z.B.

sogenannte Hydrogele. Dabei handelt es sich in den meisten Fällen um pH-

responsive Aktuatoren, d.h. sie reagieren auf den pH-Wert des sie umgebenden

Milieus und öffnen nur bei einem bestimmten Wert Kanäle, durch welche dann der

Wirkstoff freigesetzt wird. Für solche Hydrogele werden meist Polymere mit

Carboxygruppen verwendet, da diese ein pH-abhängiges Löseverhalten zeigen, d.h.

sie gehen bei pH = 6 in ihre lösliche Salzform über. Dazu gehören auch die

superabsorbierenden Polymere der Acrylsäure.

In basischem Milieu wird die gestreckte Polyacrylsäure deprotoniert und durch die

Bildung der Salzform lagern sich z.B. positiv geladene Natrium-Ionen an.

OHO

n

+ NaOH- H

2O

O-

O

n

Na+

Dabei knäult sich die Polymerkette zusammen und kann den eingeschlossenen

Wirkstoff freisetzen bzw. herauspressen.

4 Coordination gegen BAYER-Gefahren: Tödliche Nebenwirkungen von Aspirin. Zu finden unter URL: http://www.cbgnetwork.org/Ubersicht/Zeitschrift_SWB/SWB_1999/SWB03_99/Aspirin__Nebenwirkung/aspirin__nebenwirkung.html. Letzter Zugriff am 25.06.2010.


26

Abb. 29: Gestreckte Polyacrylsäure

Abb. 30: Geknäulte, deprotonierte Polyacrylsäure

Bei Aspirin protect handelt es sich aber vermutlich um vernetzte Polyacrylsäure, da

sie sich nicht zusammenknäult, sondern aufquillt. Die Vernetzung erreicht man z.B.

durch die Vernetzung von Polyacrylsäure mit Crosslinkern wie Ethylenglycoldiacrylat.

CH2

O

O O

O

CH2

Abb. 31: Ethylenglycoldiacrylat

Dieses verknüpft die Polyacrylsäureketten, indem es über seine Doppelbindungen

kovalente Bindungen zu beiden Seiten aufbaut. Dadurch knäult sich die

Polyacrylsäure bei der Deprotonierung nicht zusammen sondern quillt auf, indem sie

pro Gramm Polymer 1000 g Wasser aufnimmt. Aspirin protect kann so im basischen

Milieu aufquellen, wodurch sich Mikrokanäle öffnen, durch welche nun der Wirkstoff

freigesetzt werden kann.

7. Elektrotechnik

Als die Elektrotechnik Anfang des 20. Jahrhunderts auf dem Vormarsch war, wurden

polymere Werkstoffe zunächst nur als elektrische Isolatoren eingesetzt. Mittlerweile

hat sich dieses Bild grundlegend verändert. Heutzutage existieren bereits polymere

Akkumulatoren und Batterien. Darüber hinaus gibt es eine Menge an weiteren

Einsatzmöglichkeiten, von welchen hier nur beispielhaft ein paar genannt werden. So

wurden leitfähige Polymere (Polypyrrol) in die Socken amerikanischer Soldaten

eingeflochten, die sich nun durch Anlegen einer Spannung von 10-12 V aufheizen

lassen. Polyanilin dient dem amerikanischen Militär als Überzug auf den Stealth-Jets,

welche dadurch für das feindliche Radar unsichtbar werden, da sie die ausgesandten

Mikrowellen komplett absorbieren statt sie zu reflektieren. Poly(phenylenvinylen),

Polythiopen und Polyfluoren werden als grüne, rote und blaue Leuchtioden (OLEDs =


27

Organic Light Emitting Diodes) in leuchtkräftigen Displays, z.B. für Handys oder

Computerbildschirme eingesetzt. Im Gegensatz zur gängigen LCD-Technologie

überzeugen sie mit einem geringeren Stromverbrauch, hoher Leuchtkraft und der

Unabhängigkeit vom Blickwinkel.

Die polymeren Werkstoffe erreichen mittlerweile Leitfähigkeitswerte, die denen von

Halbleitern bzw. Metallen sehr nahe kommen (Kupfer = 106 S/cm, Polyacetylen = 103

S/cm).

Abb. 32: Vergleich der Leitfähigkeiten verschiedener Materialien

Ihre Nachteile liegen in der geringeren Langlebigkeit und der chemisch geringeren

Stabilität.

7.1. Demonstration 2 - Leitfähige Polymere

Chemikalien


symbol

Einsatz in

der Schule

Pyrrol C4H5N 10-20-25-41 26-37/39-45 T LV

Methanol CH3OH 11-23/24/25-

39/23/24/25 7-16-36/36-45 F, T SI

Natriumperchlorat NaClO4 9-22 13-22-27 O, Xn SI

Materialien

Kristallisierschale, Stativmaterial (2 Platten, 2 Gewindestangen, 1 Stange, 4

Doppelmuffen, 2 Klemmen), Trafo, 3 Strippen, 4 Krokodilklemmen, Magnetrührer mit


28

Rührfisch, Pipette, Messzylinder (100 mL), 2 V4A-Stahlbleche (2x4 cm), Spatel,

Waage, Skalpell oder Rasierklinge

Zeitbedarf

Vorbereitung: 25 min. Durchführung: 50 min. Nachbereitung: 10-15 min.

Versuchsaufbau

Abb. 33: Aufbau der Elektrolyseapparatur


In die Kristallisierschale werden 5 g Natriumperchlorat eingewogen und mit 200 mL

Methanol gelöst. Anschließend werden 3 mL Pyrrol hinzu getropft und das Gemisch

gut durchmischt. Die zwei Stahlbleche werden dann an die Krokodilklemmen

angeschlossen und möglichst tief und weit voneinander entfernt in die Lösung

getaucht. Dann wird eine Spannung von 6 V eingestellt und etwa 45 Minuten

elektrolysiert. Dabei wird die positive Elektrode (Anode) nach 2 Minuten umgedreht

und dann weiter elektrolysiert.

Nach 45 Minuten wird der Trafo ausgeschaltet, die Elektroden werden aus der

Lösung genommen. Die positive Elektrode wird nun mit etwas Methanol

abgewaschen und der gebildete Film wird vorsichtig (mithilfe eines Skalpells) von der

Elektrode abgezogen.

Zur Überprüfung der Leitfähigkeit wird die Folie nun in einen Stromkreis mit 6 V-

Glühbirne gebracht und die Spannung langsam erhöht, bis eine Reaktion zu sehen

ist.

Beobachtungen

Die Lösung in der Kristallisierschale färbt sich gelb. Während des Elektrolysierens

bildet sich auf der Anode eine schwarze Schicht. Diese kann nach Ende der


29

Elektrolyse vom Blech abgezogen werden. Allerdings ist sie sehr spröde und zerreißt

deshalb leicht.

Bringt man sie in einen Stromkreis, so kann die Glühbirne zum Leuchten gebracht

werden.

Abb. 34: Die Bleche während der Elektrolyse

Abb. 35: Die Produkte (schwarze, spröde Folie)

Abb. 36: Test auf elektrische Leitfähigkeit

Entsorgung

Die Lösung wird neutral in den organischen Lösemittelabfall gegeben. Die Folie wird

in der Feststofftonne entsorgt.

Fachliche Analyse

Polypyrrol wird durch anodische Oxidation von Pyrrol-Monomeren unter Beimischung

eines Leitsalzes (hier: Natriumperchlorat) gewonnen. Der Mechanismus ist noch

nicht vollständig geklärt, aber vermutlich läuft die Reaktion nach dem folgenden

Prinzip ab: Zunächst wird ein Pyrrolmolekül an der Anode zu einem Radikalkation

oxidiert.


30

NH

+ e-

NH

Anschließend reagieren zwei dieser Radikale unter Ausbildung einer neuen Bindung

zu einem Dimer. Dabei werden zwei Protonen abgespalten.

NH

NH

+

NH

NH

NH

NHH H

+ 2 H+

Dieses Dimer kann nun wiederrum oxidiert werden und es bildet sich ein dimeres

Radikalkation.

NH

NH

+ e-

NH

NH

Auf diese Art können lange Ketten von Polypyrrol entstehen, welche dann allerdings

an jedem dritten oder vierten Grundbaustein eine positive Ladung trägt.

Cl O

O

O O-

Cl O

O-

O O

Cl O

O-

O O

NH

+

NH

NH

NH

+

NH

NH

NH

+

NH

n

An diese positiven Ladungen sind die Leitsalz-Ionen als Gegenionen koordiniert. Der

entstandene Polypyrrolfilm besitzt eine Leitfähigkeit im Bereich von 50 bis 100 S/cm.

Die Leitfähigkeit resultiert zum einen aus den delokalisierten Elektronen der

Doppelbindungen und zum anderen aus der Dotierung des Polypyrrols mit den Ionen

des Leitsalzes.


31

Bei der Durchführung des Versuchs ist darauf zu achten, dass der pH-Wert der

Lösung nicht > 7 ist, da es ansonsten zu einer Deprotonierung der Stickstoffatome

des Pyrrols kommt und so einen isolierende Folie entsteht. Diese ist aber aufgrund

ihrer Farbe (orange) leicht von der leitfähigen Folie zu unterscheiden.

8. Bauindustrie

In der Bauindustrie werden polymere Werkstoffe z.B. als Bindemittel und

Dispersionspulver eingesetzt. Dadurch erhalten Dichtmassen und Mörtel eine

bessere Haftung, größere Flexibilität und erreichen eine verbesserte Kohäsion.

Darüber hinaus werden Rohre und Fußböden aus PVC, Fenster aus Plexiglas,

polymere Abdichtungen und Klebstoffe sowie Wärmedämmstoffe eingesetzt. Zu den

bekanntesten Vertretern der wärmeisolierenden Materialien gehört der

Polyurethanschaum.

8.1. Demonstration 3 - Polyurethanschaum

Chemikalien


symbol

Einsatz in

der Schule

Lignin - - - - SI

Diphenylmethan-4,4‘-

diisocyanat C15H10N2O2

20-36/37/38-40-

42/43-48/20 23-36/37-45 Xn SI

1,4-Diazabicyclo[2.2.2]-

octan C6H12N2 11-22-36/38 9-16-23-26 F, Xn SI

Wasser H2O - - - SI

Materialien

Magnetrührer, Kristallisierschale (Wasserbad), leere Suppendose, Glasstab,

Messpipette mit Peleusball (25 mL), Waage, Thermometer

Zeitbedarf



32

Versuchsaufbau

Abb. 37: Gemisch in der Suppendose


In der Suppendose werden 50 mL Diphenylmethan-diisocyanat mit 20 g Lignin

versetzt und gut vermischt. Anschließend wird das Gemisch im Wasserbad für etwa

1 Minute bei 60 °C erwärmt. Nun wird die Dose aus dem Wasserbad genommen, mit

1,5 g 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]-octan versetzt und gut durchgerührt. Sobald sich eine

Reaktion zeigt, wird der Glasstab aus der Dose genommen und die Mischung

beobachtet.

Beobachtungen

Es entsteht ein braunes Gemisch, welches bei Zugabe von 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]-

octan zu blubbern beginnt, sich langsam aufbläht und zum Teil aus der Dose

herausquillt. Nach etwa 2-3 Minuten ist ein sehr leichter löchriger braunschwarzer

Feststoff entstanden.

Abb. 38: Reaktionsprodukt

Entsorgung

Das Reaktionsprodukt wird für „Versuch 5 - Wärmedämmung durch PU-Schaum“

aufgehoben oder mitsamt der Dose in den Feststoffabfall entsorgt.


33

Fachliche Analyse

Bei dem durchgeführten Versuch kam es zu einer Polyadditionsreaktion, d.h. es

wurden verschiedenartige Monomere unter Protonenübertragung miteinander

verknüpft, ohne dass dabei niedermolekulare Nebenprodukte wie Wasser

(Polykondensation) entstanden.

Zunächst bildet das 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan (DABCO) eine

Wasserstoffbrückenbindung zum Hydroxywasserstoffatom des Lignins aus, wodurch

der Sauerstoff der entsprechenden Hydroxy-Gruppe stärker negativ polarisiert wird.

Im Anschluss bildet dieser Sauerstoff eine Bindung zum Isocyanat-Kohlenstoffatom

aus, wodurch der Stickstoff des Isocyanats eine negative Teilladung erhält. Das

Wasserstoffatom der Hydroxy-Gruppe wird als Proton auf den Stickstoff übertragen

und das DABCO löst seine Wasserstoffbrückenbindung zu diesem wieder.

+ H O R1

OH+ -

NN NN H O R1

OH+ --

+NN H O R1

OH+ --

O C N R2

N C O

+N

N

OH R1

O C

O

N R2

N C O

H

Urethanbindung

N

N

H

O+

CO N-

R2

N C O

R1

OH

Somit wurde der Katalysator zurückgebildet und kann eine neue Reaktion eingehen

und es ist ein neues Molekül, ein Bipolymer entstanden, in welchem die

Grundbausteine über eine Urethanbindung verknüpft sind.


34

8.2. Versuch 5 - Wärmedämmung durch PU-Schaum

Zeitbedarf


Materialien

Produkt aus „Demonstration 3 - Polyurethanschaum“, Magnetrührer, Thermometer,

Wasser, eine weitere Suppendose, 2 Bechergläser (50 mL), Tiegelzange, 2

Pappestücke (15 x 15 cm)


Nachdem das Produkt ausgehärtet ist, wird der „Kopf“ abgeschnitten und in die Mitte

ein Loch von der Größe eines 50 mL Becherglases geschnitten. Nun werden in die

Bechergläser 50 mL Wasser gegeben und auf dem Magnetrührer auf 80 °C erhitzt.

Anschließend wird das eine Becherglas in die ausgehöhlte Dose, das andere

Becherglas in die zweite, leere Dose gestellt. Mit zwei Pappstücken werden die

Öffnungen abgedeckt. Nach 45 Minuten wird die Temperatur des Wassers in den

beiden Bechergläsern erneut überprüft.

Beobachtungen

Der PU-Schaum lässt sich gut schneiden und aushöhlen.

Abb. 39: Produkt mit abgeschnittenem Oberteil

Abb. 40: Ausgehöhltes Produkt

Die Temperatur in den Bechergläsern steigt beim Erhitzen auf 80 °C. Nach 45

Minuten hat das Wasser in der mit PU-Schaum gefüllten Dose noch 43 °C, das

Wasser in der zweiten Dose aber nur noch 29 °C.


35

Entsorgung

Die Dosen können für eine spätere Durchführung aufbewahrt werden. Ansonsten

müssen sie in die Feststofftonne entsorgt werden.

Fachliche Analyse

Polyurethanschaum ist im Verhältnis zu seiner Größe sehr leicht. Dies liegt daran,

dass er aufgrund der übermäßigen Porenbildung eine sehr große Oberfläche besitzt.

In den Poren ist Luft eingeschlossen, die die geringe Masse erklärt. Gase sind

generell schlechte Wärmeleiter. In der Suppendose mit dem Polyurethanschaum wird

zudem eine Zirkulation der Luft in den Poren verhindert, so dass die Wärme noch

schlechter an die Außenseite gelangen und dort abgegeben werden kann. In der

Dose ohne PU-Schaum ist dies gut möglich und so wird dort die Wärme des

Wassers besser abtransportiert. Daher weist das Wasser in der mit PU-Schaum

isolierten Dose auch nach 45 Minuten noch eine Temperatur von 43 °C auf, während

das andere Wasser schon auf 29 °C abgekühlt ist.

9. Methodisch-didaktische Analyse

9.1. Einordnung der Versuche

Die Versuche sind alle in das „Wahlthema Angewandte Chemie“ Qualifikationsphase

4 (Hessischer Lehrplan Chemie von 2010), sowohl im Grund- als auch im

Leistungskurs einzuordnen. Hier können im Unterthema „Werkstoffe“ die natürlichen

und synthetischen Makromoleküle thematisiert werden. Dabei geht es um ihre

Klassifizierung in Duroplasten, Thermoplasten und Elastomere, Reaktionstypen zur

Verknüpfung von Monomeren, die großtechnische Herstellung eines Kunststoffs und

um Polymere mit besonderen Eigenschaften.

Ebenfalls können sie bereits in der Qualifikationsphase 2 (auch hier sowohl im Grund

wie auch im Leistungskurs) durchgeführt werden. Hier werden als Themen auch der

Aufbau von Makromolekülen, modifizierte Naturstoffe, Reaktionsmechanismen,

Zusammenhänge zwischen Struktur und Eigenschaften, Umweltprobleme und Vor-

und Nachteile bei der Verarbeitung und Verwendung genannt.


36

Manche Versuche, wie z.B. Versuch 4 zum Drug delivery system oder Versuch 5 zur

wärmeisolierenden Wirkung von PU-Schaum, können im fächerübergreifenden

Unterricht eingesetzt werden. Dabei kann in Biologie die eventuell schädigende

Wirkung von ASS oder in Physik die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Medien

untersucht und besprochen werden. Nahezu jeder der vorgestellten Versuche besitzt

einen guten Bezug zur Lebenswelt, da die Schülerinnen und Schüler fast täglich mit

den Produkten und Stoffen in Kontakt kommen bzw. diese aus ihrem Alltag kennen.

9.2. Versuchsaufwand

Die Versuche besitzen in der Regel keinen größeren Aufwand und können alle in der

Schule durchgeführt werden. Für die Plexiglasdarstellung wird ein Trockenschrank

benötigt und auch die Materialien für die Produktionskammer sollten vorher auf ihr

Vorhandensein geprüft werden. Der zeitliche Aufwand ist hier etwas größer,

weswegen der Versuch am Besten in einer Projekteinheit einsetzbar wäre. Versuch 4

(Drug delivery system) benötigt ebenfalls etwas länger, ist aber trotzdem problemlos

in einer Schulstunde durchführbar. Dies gelingt bei der Herstellung von Polypyrrol nur

bedingt, d.h. es wird mindestens eine Doppelstunde benötigt, da die Elektrolyse eine

gewisse Zeit laufen muss, um eine vernünftige Folie zu erhalten. Dem gegenüber

kann der Zeitaufwand bei Versuch 5 (Wärmeisolierung durch PU-Schaum) auch

ohne Probleme gekürzt und die Temperaturen können z.B. schon nach 30 Minuten

gemessen werden. Auch dann sollte sich bereits ein deutlicher Unterschied zeigen.

Der Chemikalienaufwand hält sich bei allen Versuchen in Grenzen. Die verwendeten

Chemikalien dürften alle in einer normalen Schulchemikaliensammlung vorhanden

sein. Lediglich Pyrrol könnte an manchen Schulen fehlen und müsste dann extra

besorgt werden.

9.3. Versuchsdurchführung

Die Versuche haben fast alle gut funktioniert und sollten auch in der Schule gut

sichtbare Ergebnisse liefern. Der Versuch zum drug delivery system ist etwas knifflig,

der pH-Wert der basischen Lösung sehr genau auf 7,5 eingestellt werden muss. Dies


37

ist mit pH-Papier nur ansatzweise möglich, sinnvoller ist hier die Benutzung eines

pH-Meters. Aber auch dann kann es sein, dass die gewünschte Wirkung nicht

einsetzt. Daher ist dieser Versuch eher unberechenbar und es sollte vorher eine

Alternative, z.B. eine erfolgreiche Durchführung als Video bereitgehalten werden, um

den Schülerinnen und Schülern zeigen zu können, wie der Versuch hätte ablaufen

sollen.

Bei drei Versuchen gibt es nach dem HessGISS5 Einschränkungen hinsichtlich der

Durchführungsmöglichkeiten. So kann die Demonstration 1 (Plexiglas) nur vom

Lehrer vorgeführt werden, da Dibenzoylperoxid eine allergisierende Wirkung besitzt

und nicht von Schülern verwendet werden darf. Ähnlich verhält es sich bei der

Demonstration 2 (Leitfähige Polymere). Das hier benötigte Pyrrol ist als toxisch

eingestuft und darf daher ebenfalls nur von der Lehrperson verwendet werden.

Versuch 2 (Styropor in Joghurtbechern) kann bei der Verwendung von Pentan nur

von Schülern ab 16 Jahren durchgeführt werden. Aber anstelle von n-Pentan könnte

auch n-Hexan verwendet werden, welches für die SI freigegeben ist.

5 Unfallkasse Hessen, Hessisches Kultusministerium. Hessisches Gefahrstoffinformationssystem Schule - HessGISS. Version 13. 2008/2009.


38

Literaturverzeichnis

[1] Brandl, H.; Kabuß, S.:Herstellung eines Fluoreszenz-Solarkollektors. In: Praxis der

Naturwissenschaften, 6/37, S. 24ff. 1988.

[2] Brückner, R.: Reaktionsmechanismen. 3. Auflage. Spektrum Verlag. 2004.

[3] Bruice, P: Organische Chemie. 5. aktualisierte Auflage. Pearson. 2009.

[4] Zu finden unter URL: http://www.kunststoff-schweiz.ch/html/2__seite.html. Letzter Zugriff am

23.06.2010.

[5] Berufsgenossenschaftliches Institut für Arbeitsschutz (BGIA). Gefahrstoffinformationssystem der

gewerblichen Berufsgenossenschaften. Zu finden unter URL:

http://www.hvbg.de/d/bia/gestis/stoffdb/index.html. Letzter Zugriff am 22.06.2010.

[6] FIZ CHEMIE Berlin , Fachinformationszentrum Chemie GmbH. Zu finden unter URL:

http://www.chemgapedia.de. Letzter Zugriff am 25.06.2010.

[7] Hessisches Kultusministerium. Lehrplan Chemie. 2010. Zu finden unter URL:

http://www.hessen.de/irj/servlet/prt/portal/prtroot/slimp.CMReader/HKM_15/HKM_Internet/med/

d0c/d0c304d8-bb44-4721-f3ef-efe2389e4818,22222222-2222-2222-2222-222222222222,true.

Letzter Zugriff am 26.06.2010.

[8] Hunold + Knoop Kunststofftechnik GmbH: Polystyrol - PS. Zu finden unter URL:

http://www.hunold-knoop.de/de/wissen/kunststoffe_ps.php. Letzter Zugriff am 23.06.2010.

[9] Lechner, M. D.; Gehrke, K.; Nordmeier, E. H.: Makromolekulare Chemie. 4. überarbeitete und

erweiterte Auflage. Berlin: Springer. 2010.

[10] Roemer, M.: Elektrochemo- und mikromechanisches Verhalten elektronisch leitfähiger Polymere.

Zu finden unter URL: http://deposit.d-nb.de/cgi-

bin/dokserv?idn=972810072&dok_var=d1&dok_ext=pdf&filename=972810072.pdf. Letzter Zugriff

am 24.06.2010.

[11] Unfallkasse Hessen, Hessisches Kultusministerium. Hessisches Gefahrstoffinformationssystem

Schule - HessGISS. Version 13. 2008/2009.

[12] Westdeutscher Rundfunk Köln (WDR): Bakelit - Urstoff der modernen Alltagskultur. Zu finden

unter URL: http://www.planet-wissen.de/alltag_gesundheit/werkstoffe/kunststoff/bakelit.jsp.



39

Abbildungsverzeichnis

Abb. 2: Fachhochschule Münster: Herstellung, Aufbau, Einteilung und Kennzeichnung der

Kunststoffen. Zu finden unter URL: https://www.fh-

muenster.de/maschinenbau/downloads/werkstofftechnik/Kunststoffanwendungen/KmK_2__Aufbau

_Einteilung_Arten_von_Kunststoffen.pdf. Letzter Zugriff am 24.06.2010.

Abb. 3: Kunststoff-Schweiz. Zu finden unter URL: http://www.kunststoff-

schweiz.ch/assets/images/Bakelizer.jpg. Letzter Zugriff am 25.06.2010.

Abb. 4: Manufactum GmbH & Co. KG. Zu finden unter URL:

http://images.manufactum.de/manufactum/grossbild/82985_1.jpg. Letzter Zugriff am 23.06.2010.

Abb. 5: Replicata Florian Langenbeck und verena Kohlbrenner GbR. Zu finden unter URL:

http://www.replicata.de/bilder/produkte/431000000B.jpg. Letzter Zugriff am 22.06.2010.

Abb. 15: FIZ CHEMIE Berlin , Fachinformationszentrum Chemie GmbH. Zu finden unter URL:

http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/9/mac/andere/pmma/transparent2schu.jp

g. Letzter Zugriff am 23.06.2010.


http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/10/styrol_polymerisation/polystyrol/polystyro

l.vlu/Page/vsc/de/ch/10/styrol_polymerisation/polystyrol/herstellung_von_standard_ps/herstellung

_von_standard_ps.vscml.html. Letzter Zugriff am 23.06.2010.

Abb. 23: Autor unbekannt. Zu finden unter URL:

http://academic.brooklyn.cuny.edu/biology/bio4fv/page/starch.html. Letzter Zugriff am 21.06.2010.

Abb. 25: Hermsen, O.: Snack-Schalen oval. http://www.hermsen.de/shop/media/81010037.jpg.



http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/9/mac/andere/acrylsaeure/polyelektrolyt.

png. Letzter Zugriff am 26.06.2010.


http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/9/mac/andere/acrylsaeure/polysalz.png.



http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/9/mac/andere/acetylen/leitfaehig.gif.



40

Verzeichnis der Versuchsvorschriften

Bakelit

Burgemeister, S.: Kunststoffe. Zu finden unter URL:

http://www.chids.de/dachs/expvortr/671Kunststoffe_Burgemeister.doc. Letzter Zugriff am

09.06.2010.

Plexiglas

[1] Rickelt, E.: Polymerisation von Methacrylsäureester (Plexiglas). Philipps-Universität Marburg,

Fachbereich Chemie.

[2] Brandl, H.; Kabuß, S.: Herstellung eines Fluoreszenz-Solarkollektors. In: Praxis der

Naturwissenschaften, 6/37, S. 24ff. 1988.

Styropor in Joghurtbechern

Rickelt, E.: Lehrerfortbildung - Kunststoffmüll. S. 21f. Philipps-Universität Marburg, Fachbereich

Chemie. 1998.

Essbares Einweggeschirr

[1] Büttner, M.; Wagner, G.: Herstellung von essbarem Einweggeschirr. Zu finden als

Downloadmaterial unter URL: http://www.friedrich-

verlag.de/go/?action=ShowProd&prod_uuid=ADF0893F5DF74A3FB484CBFBB28C22F4. Letzter

Zugriff am 09.06.2010.

[2] Kühn, I.: Herstellung von essbarem Einweggeschirr. In: Naturwissenschaften im Unterricht

Chemie. 9, Heft 45, S. 55-56. 1998.

Drug delivery system (controlled drug release)

Köhler-Krützfeldt, A.: Fortschritt durch Polymere. In: Praxis der Naturwissenschaften - Chemie. 5/51,

S. 2-5. 2002.

Leitfähige Polymere

Flintjer, B.; Jansen, W.: Polypyrrol und Polypyrrol-Batterien. In: Praxis der Naturwissenschaften -

Chemie. 3/38, S. 7-11. 1989

Polyurethanschaum

Rickelt, E.: Polyurethan auf Lignin-Basis. Philipps-Universität Marburg, Fachbereich Chemie.

Isolierung durch PU-Schaum

-


41

Erklärung

Hiermit versichere ich, dass ich den Bericht selbstständig verfasst und keine anderen

als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet habe.

Marburg, den 27.06.2010

protokoll zum organisch- chemischen experimentalvortrag ... · diesen gehört ohne zweifel das...

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