Kunststoffsynthese durch Polymerisation
Die PET-Pfandflasche, der Joghurtbecher aus PP, das PVC-Abwasserrohr: Alle bestehen aus Makromolekülen mit Tausenden von Atomen. Als Edukte dienen aber kleine Moleküle wie Ethen oder Propen. Wie werden aus Molekülen mit zwei oder drei C-Atomen Riesenmoleküle? Und warum entsteht dabei kein „Abfallprodukt“, obwohl das bei der Estersynthese anders ist? Das klärst du auf dieser Seite.
Von Monomer zu Polymer
Bei der Polymerisation (Kettenwachstumsreaktion) verknüpfen sich sehr viele gleichartige Monomere zu einem Makromolekül, dem Polymer. Die Monomere müssen dafür eine C=C-Doppelbindung besitzen. Bei der Reaktion wird jeweils die π-Bindung der Doppelbindung gespalten (die σ-Bindung bleibt erhalten). Die frei werdenden π-Elektronen bilden neue σ-Bindungen (Einfachbindungen) zu den Nachbarmonomeren.
Allgemein schreibt man die Reaktionsgleichung mit dem Polymerisationsgrad $n$ (Zahl der Wiederholeinheiten):
$$n\ \mathrm{CH_2{=}CH_2} \longrightarrow [\,{-}\mathrm{CH_2{-}CH_2{-}}\,]_n$$Die Klammer enthält die Wiederholeinheit (den Grundbaustein). Die Bindungsstriche an den Klammern zeigen, dass die Kette in beide Richtungen weitergeht.
Für ein Monomer $\mathrm{CH_2{=}CHX}$ gilt immer dasselbe Muster, nur der Substituent X ändert sich:
| Monomer | X | Polymer (Abkürzung) | Wiederholeinheit |
|---|---|---|---|
| Ethen | H | Polyethen (PE) | $-\mathrm{CH_2{-}CH_2}-$ |
| Propen | $\mathrm{CH_3}$ | Polypropen (PP) | $-\mathrm{CH_2{-}CH(CH_3)}-$ |
| Chlorethen | Cl | Polyvinylchlorid (PVC) | $-\mathrm{CH_2{-}CHCl}-$ |
| Styrol | $\mathrm{C_6H_5}$ | Polystyrol (PS) | $-\mathrm{CH_2{-}CH(C_6H_5)}-$ |
| Tetrafluorethen | (4 × F) | Polytetrafluorethen (PTFE) | $-\mathrm{CF_2{-}CF_2}-$ |
Polyethen wird großtechnisch aus Ethen hergestellt, zum Beispiel für Folien und Behälter. a) Stellen Sie die Reaktionsgleichung der Polymerisation von Ethen zu Polyethen…
Polyethen wird großtechnisch aus Ethen hergestellt, zum Beispiel für Folien und Behälter.
- a) Stellen Sie die Reaktionsgleichung der Polymerisation von Ethen zu Polyethen mit Strukturformeln auf. Verwenden Sie dabei den Polymerisationsgrad $n$ und kennzeichnen Sie die Wiederholeinheit.
- b) Nennen Sie die Voraussetzung, die ein Monomer für die Polymerisation erfüllen muss.
- c) Erklären Sie, warum Ethan nicht polymerisiert.
Aus den folgenden Monomeren werden Kunststoffe hergestellt: Propen, Chlorethen und Tetrafluorethen. a) Zeichnen Sie für jedes Monomer die Strukturformel der…
Aus den folgenden Monomeren werden Kunststoffe hergestellt: Propen, Chlorethen und Tetrafluorethen.
- a) Zeichnen Sie für jedes Monomer die Strukturformel der Wiederholeinheit des zugehörigen Polymers.
- b) Nennen Sie die Namen der drei Polymere (mit gängiger Abkürzung, wenn vorhanden).
- c) Begründen Sie, warum bei der Polymerisation keine weiteren Produkte neben dem Polymer entstehen.
Nachweis der Doppelbindung und Reaktionstyp
Mit Bromwasser kann man testen, ob eine C=C-Doppelbindung vorhanden ist. Ein Alken reagiert in einer elektrophilen Addition mit Brom, und die braune Lösung wird sofort farblos. Den Mechanismus der elektrophilen Addition (Elektronenpaar-Verschiebungspfeile, $\delta^+$/$\delta^-$, kationische Zwischenstufe) behandelt der Abschnitt zu den Reaktionsmechanismen. Für den Nachweis genügt: Das Brom-Molekül wird an die Doppelbindung addiert, aus der C=C-Doppelbindung wird eine Einfachbindung:
$$\mathrm{CH_2{=}CH_2 + Br_2 \longrightarrow CH_2Br{-}CH_2Br}$$Das Monomer Ethen entfärbt Bromwasser, das Polymer Polyethen nicht. Das ist der experimentelle Beleg: Bei der Polymerisation sind die Doppelbindungen verbraucht. Polyethen ist gesättigt.
| Addition (Ethen + Br₂) | Polymerisation (Ethen) | |
|---|---|---|
| Reaktionstyp | Addition eines Moleküls an die Doppelbindung | Kettenwachstum: fortgesetzte Verknüpfung von Monomeren |
| Edukte | zwei verschiedene Moleküle | viele gleiche Monomere |
| Produkt | ein kleines Molekül (1,2-Dibromethan) | ein Makromolekül |
| Doppelbindung | wird zu Einfachbindung (einmalig) | wird bei jedem Wachstumsschritt zu Einfachbindung |
| Nebenprodukt | keines | keines |
In beiden Reaktionen wird die Doppelbindung zur Einfachbindung. Die Polymerisation ist eine Kettenreaktion aus vielen aufeinanderfolgenden Additionen von Monomeren aneinander. Die Reaktion mit Brom oder HBr ist dagegen eine einmalige elektrophile Addition eines anderen Moleküls und liefert ein kleines Molekül. Propen kann also mit HBr (elektrophile Addition) oder mit sich selbst (Polymerisation) reagieren; die Reaktionspartner und die Produkte sind verschieden.
Brennprobe bei PVC: Beim Verbrennen entsteht Chlorwasserstoff $\mathrm{HCl}$. Er färbt feuchtes Indikatorpapier rot (saure Lösung). Hält man einen ausgeglühten Kupferdraht oder ein Kupferblech mit etwas Probe in die Flamme, entsteht Kupferchlorid, das die Flamme grün färbt (Beilsteinprobe). Beides deutet auf Chlor im Polymer hin.
Eine Schülergruppe untersucht Ethen (Monomer) und Polyethen (Polymer) mit Bromwasser. Ethen entfärbt Bromwasser sofort, Polyethen verändert die Farbe auch nach mehreren…
Eine Schülergruppe untersucht Ethen (Monomer) und Polyethen (Polymer) mit Bromwasser. Ethen entfärbt Bromwasser sofort, Polyethen verändert die Farbe auch nach mehreren Stunden nicht. Zusätzlich wird eine Brennprobe mit PVC an einem ausgeglühten Kupferdraht durchgeführt (Beilsteinprobe): Die Flamme ist am Rand grün, und feuchtes Indikatorpapier färbt sich rot.
- a) Erläutern Sie die Beobachtungen mit Bromwasser und schließen Sie auf die Veränderung der Bindungen bei der Polymerisation.
- b) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung von Ethen mit Brom und die der Polymerisation von Ethen. Vergleichen Sie die beiden Reaktionstypen.
- c) Erklären Sie die Beobachtungen der Brennprobe von PVC.
Polymerisationsgrad und molare Masse
Eine Polyethenkette hat nicht immer genau gleich viele Wiederholeinheiten. Die Kettenlänge schwankt von Molekül zu Molekül. Man gibt deshalb mittlere Werte an. Die Zahl der Wiederholeinheiten ist der Polymerisationsgrad $n$. Die Wiederholeinheit hat dieselbe Formel wie das Monomer, also gilt:
$$M(\text{Polymer}) = n \cdot M(\text{Wiederholeinheit}) \qquad\Longleftrightarrow\qquad n = \frac{M(\text{Polymer})}{M(\text{Wiederholeinheit})}$$Es gilt $M(\text{Wiederholeinheit}) = M(\text{Monomer})$, weil nichts abgespalten wird.
Warum mittlere Werte? Bei der Synthese wachsen viele Ketten gleichzeitig und brechen zu unterschiedlichen Zeitpunkten ab. Man erhält ein Gemisch aus Ketten verschiedener Länge, und die Messwerte sind deshalb Durchschnitte.
Ein Hersteller von Joghurtbechern verwendet Polypropen (PP) mit einem mittleren Polymerisationsgrad von $n = 2\,500$. Ein PVC-Rohr besteht aus PVC mit einer mittleren…
Ein Hersteller von Joghurtbechern verwendet Polypropen (PP) mit einem mittleren Polymerisationsgrad von $n = 2\,500$. Ein PVC-Rohr besteht aus PVC mit einer mittleren molaren Masse von $125\,000\,\mathrm{g/mol}$.
Es gilt $M(\mathrm{C_3H_6}) = 42{,}0\,\mathrm{g/mol}$ und $M(\mathrm{C_2H_3Cl}) = 62{,}5\,\mathrm{g/mol}$.
- a) Berechnen Sie die mittlere molare Masse des Polypropens.
- b) Berechnen Sie den mittleren Polymerisationsgrad des PVC.
- c) Erklären Sie, warum in der Praxis stets mittlere Werte für Kettenlänge und molare Masse angegeben werden.
Joghurtbecher bestehen häufig aus Polypropen (PP). Ein PP-Granulat hat eine mittlere molare Masse von $210\,000\,\mathrm{g/mol}$. a) Stellen Sie die Reaktionsgleichung…
Joghurtbecher bestehen häufig aus Polypropen (PP). Ein PP-Granulat hat eine mittlere molare Masse von $210\,000\,\mathrm{g/mol}$.
- a) Stellen Sie die Reaktionsgleichung der Polymerisation von Propen zu Polypropen auf und zeichnen Sie drei Wiederholeinheiten.
- b) Berechnen Sie den mittleren Polymerisationsgrad. Es gilt $M(\mathrm{C_3H_6}) = 42{,}0\,\mathrm{g/mol}$.
- c) Eine Schülerin schreibt: „Propen reagiert mit Bromwasserstoff und mit sich selbst nach demselben Reaktionstyp.“ Beurteilen Sie diese Aussage.
Stoffbilanz, Ausbeute und Zusammensetzung
Bei der Polymerisation entsteht nur ein Produkt, das Polymer. Es werden keine Atome abgespalten. Deshalb gilt:
$$m(\text{Polymer}) = m(\text{Monomer}) \quad\text{(bei vollständigem Umsatz)}$$ $$n(\text{Wiederholeinheiten}) = n(\text{eingesetztes Monomer})$$Bei der Veresterung ($\text{Säure} + \text{Alkanol} \rightleftharpoons \text{Ester} + \text{Wasser}$) wird dagegen Wasser abgespalten. Die Masse des Esters ist kleiner als die Summe der Eduktmassen, und die Reaktion ist eine Gleichgewichtsreaktion.
Mit der Ausbeute $\eta$ berechnet man die tatsächliche Produktmasse: $m(\text{Produkt}) = \eta \cdot m(\text{theoretisch})$.
Zusammensetzung aus Massenanteilen: Aus einer Elementaranalyse ($w$ in %) bestimmt man das Stoffmengenverhältnis. Dazu rechnest du mit 100 g Probe: $n(\mathrm{X}) = \dfrac{w(\mathrm{X}) \cdot 100\,\mathrm{g}}{M(\mathrm{X})}$.
In einem Chemiepark werden $2{,}00\,\mathrm{t}$ Chlorethen zu PVC umgesetzt. Die Ausbeute beträgt $92{,}0\,\%$. Es gilt $M(\mathrm{C_2H_3Cl}) = 62{,}5\,\mathrm{g/mol}$.…
In einem Chemiepark werden $2{,}00\,\mathrm{t}$ Chlorethen zu PVC umgesetzt. Die Ausbeute beträgt $92{,}0\,\%$. Es gilt $M(\mathrm{C_2H_3Cl}) = 62{,}5\,\mathrm{g/mol}$.
- a) Berechnen Sie die Stoffmenge an eingesetztem Chlorethen.
- b) Berechnen Sie die Masse des entstandenen PVC sowie die Stoffmenge an Wiederholeinheiten im Produkt.
- c) Vergleichen Sie die Massenbilanz der Polymerisation mit der einer Veresterung und erklären Sie den Unterschied.
Eine Elementaranalyse eines unbekannten Thermoplasten liefert die folgenden Massenanteile: $w(\mathrm{C}) = 38{,}4\,\%$, $w(\mathrm{H}) = 4{,}8\,\%$ und…
Eine Elementaranalyse eines unbekannten Thermoplasten liefert die folgenden Massenanteile: $w(\mathrm{C}) = 38{,}4\,\%$, $w(\mathrm{H}) = 4{,}8\,\%$ und $w(\mathrm{Cl}) = 56{,}8\,\%$. Eine Brennprobe ergibt eine grünsäumige Flamme. Es gilt $M(\mathrm{C}) = 12{,}0\,\mathrm{g/mol}$, $M(\mathrm{H}) = 1{,}0\,\mathrm{g/mol}$, $M(\mathrm{Cl}) = 35{,}5\,\mathrm{g/mol}$ und $M(\mathrm{HCl}) = 36{,}5\,\mathrm{g/mol}$.
- a) Bestimmen Sie das Stoffmengenverhältnis der Elemente und die Verhältnisformel.
- b) Leiten Sie das Monomer ab und formulieren Sie die Reaktionsgleichung der Polymerisation.
- c) Berechnen Sie die Masse an Chlorwasserstoff, die bei vollständiger Verbrennung von $1{,}00\,\mathrm{kg}$ dieses Kunststoffs höchstens entsteht, und beurteilen Sie die Folgen für die energetische Verwertung.
Bewertung und Eigenschaften der Polymere
Biobasiert oder erdölbasiert? Ethen kann aus Erdöl (Naphtha, Cracken) oder aus Bioethanol (aus Zuckerrohr oder Mais) hergestellt werden. Das daraus entstehende PE ist chemisch identisch. „Bio-PE“ ist biobasiert, weil es aus nachwachsenden Rohstoffen stammt, aber nicht biologisch abbaubar. Beide Begriffe sind unabhängig voneinander.
Bei der Bewertung betrachtet man drei Dimensionen:
-
ökologisch: Klimabilanz, Flächenverbrauch, Wasser, Düngung,
-
ökonomisch: Kosten, Preisschwankungen, Abhängigkeit von Ernte und Klima,
-
sozial: Flächenkonkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion, Arbeitsbedingungen.
Zum Rechnen mit der Gesamtausbeute: Aus der Masse des Edukts ergibt sich über das Stoffmengenverhältnis die Masse des Produkts. Das Kettenwachstum selbst verändert die Masse nicht, nur bei der vorgeschalteten Umsetzung von Ethanol zu Ethen (Wasserabspaltung) gehen Atome verloren.
Eigenschaften und Bindungen. Die Wiederholeinheit bestimmt das Verhalten des Polymers. Der Substituent X ändert die Dichte, die Härte und die thermische Stabilität. Zur Erklärung nutzt du:
-
die Bindungsenergie (je größer, desto stabiler die Bindung, z. B. C–F > C–H > C–Cl),
-
die Molekülmasse der Atome (Cl, F sind schwerer als H, also steigt die Dichte),
-
die Polarität der Bindungen und damit die zwischenmolekularen Kräfte.
Ein Kunststoffhersteller bietet „Bio-Polyethen“ an. Es wird aus Bioethanol hergestellt, das aus Zuckerrohr gewonnen wird. Das Ethanol wird dabei zu Ethen umgesetzt…
Ein Kunststoffhersteller bietet „Bio-Polyethen“ an. Es wird aus Bioethanol hergestellt, das aus Zuckerrohr gewonnen wird. Das Ethanol wird dabei zu Ethen umgesetzt (dieser Schritt ist hier nicht Gegenstand der Aufgabe), dessen Polymerisation führt zu Polyethen. Das Produkt ist chemisch identisch mit Polyethen aus Erdöl. Das Zuckerrohr wächst auf großen Anbauflächen, deren Ertrag vom Klima abhängt. Die Gesamtausbeute vom Ethanol zum Polyethen beträgt $90{,}0\,\%$.
Es gilt $M(\mathrm{C_2H_5OH}) = 46{,}0\,\mathrm{g/mol}$ und $M(\mathrm{C_2H_4}) = 28{,}0\,\mathrm{g/mol}$.
- a) Erläutern Sie, warum das Produkt aus Bioethanol und das aus Erdöl chemisch identisch sind, und stellen Sie die Reaktionsgleichung der Polymerisation auf.
- b) Berechnen Sie die Masse an Ethanol, die für $1{,}00\,\mathrm{t}$ Polyethen benötigt wird.
- c) Bewerten Sie den Einsatz von Bio-Polyethen im Vergleich zu Polyethen aus Erdöl unter ökologischen, ökonomischen und sozialen Gesichtspunkten.
Ein Vergleich von drei Thermoplasten: | Polymer | Dichte in g/cm³ | Eigenschaften | |---|---|---| | PE | 0,95 | weich, geringe thermische Beständigkeit | | PVC | 1,4 |…
Ein Vergleich von drei Thermoplasten:
| Polymer | Dichte in g/cm³ | Eigenschaften |
|---|---|---|
| PE | 0,95 | weich, geringe thermische Beständigkeit |
| PVC | 1,4 | hart, bei höherer Temperatur Abspaltung von HCl |
| PTFE | 2,2 | extrem reibungsarm, hitzebeständig, chemisch inert |
Mittlere Bindungsenergien: $E(\mathrm{C-H}) = 413\,\mathrm{kJ/mol}$, $E(\mathrm{C-Cl}) = 339\,\mathrm{kJ/mol}$, $E(\mathrm{C-F}) = 485\,\mathrm{kJ/mol}$. Es gilt $M(\mathrm{C_2F_4}) = 100{,}0\,\mathrm{g/mol}$ und $M(\mathrm{F}) = 19{,}0\,\mathrm{g/mol}$.
- a) Stellen Sie die Reaktionsgleichung der Polymerisation von Tetrafluorethen auf und berechnen Sie den Massenanteil an Fluor im PTFE.
- b) Erklären Sie die unterschiedlichen thermischen und chemischen Eigenschaften der drei Polymere. Beziehen Sie dabei die Bindungsenergien, die zwischenmolekularen Wechselwirkungen zwischen den Polymerketten und die Dichten (in Bezug auf die Masse der Substituenten) ein.
- c) Beurteilen Sie den Einsatz von PTFE als Beschichtung für Pfannen und mögliche Probleme am Ende des Produktlebens.
Auf einen Blick
-
Polymerisation: Monomere mit C=C-Doppelbindung verknüpfen sich zu einem Makromolekül, ohne dass etwas abgespalten wird: $n\ \mathrm{CH_2{=}CHX} \rightarrow [-\mathrm{CH_2{-}CHX}-]_n$.
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Die Wiederholeinheit hat dieselbe Zusammensetzung wie das Monomer. Beispiele sind PE, PP, PVC, PS und PTFE.
-
Nachweis: Bromwasser wird vom Monomer entfärbt, vom Polymer nicht. Die Brennprobe von PVC liefert HCl (feuchtes Indikatorpapier rot, grüne Flamme).
-
$M(\text{Polymer}) = n \cdot M(\text{Wiederholeinheit})$. Angegeben werden mittlere Werte, weil die Kettenlängen verschieden sind.
-
Stoffbilanz: $m(\text{Polymer}) = m(\text{Monomer})$ bei vollständigem Umsatz, mit Ausbeute $\eta$ kleiner. Im Gegensatz zur Estersynthese entsteht kein Wasser.
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Bewertung von Kunststoffen: ökologisch, ökonomisch und sozial. „Biobasiert“ ist nicht dasselbe wie „biologisch abbaubar“.
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