Kunststoffe
Sieh dich in deinem Zimmer um: Getränkeflasche, Stiftehülle, Tastatur, Fensterrahmen, Fleecejacke, Gummiball. Alles sind Kunststoffe, aber jeder fühlt sich anders an. Die Flasche ist leicht und biegsam, der Stecker an deinem Ladekabel hart und hitzefest, der Gummiball dehnbar.
Warum verhalten sich Kunststoffe so verschieden, obwohl sie alle aus langen Molekülen bestehen? Wie werden aus kleinen Molekülen wie Ethen aus dem Erdöl so lange? Und was passiert mit dem Abfall? Das beantwortet diese Lektion.
Einteilung der Kunststoffe
Kunststoffe sind Werkstoffe, die aus sehr langen Molekülen (Makromolekülen) bestehen und meist aus Erdöl hergestellt werden. Nach dem Verhalten bei Wärme teilt man sie in drei Gruppen. Der Grund ist der Bau der Makromoleküle:
| Gruppe | Bau | Verhalten | Beispiele und Verwendung |
|---|---|---|---|
| Thermoplaste | lange Fadenmoleküle, nicht verbunden | erweichen beim Erwärmen, lassen sich neu formen | Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, PET (alle weiter unten erklärt): Flaschen, Rohre, Folien |
| Duroplaste | Fadenmoleküle durch Atombindungen eng vernetzt | hart, spröde, nicht schmelzbar, zersetzen sich bei Hitze | Steckdosen, Topfgriffe, Leiterplatten |
| Elastomere | Fadenmoleküle weitmaschig vernetzt | gummielastisch, nicht schmelzbar | Gummibänder, Reifen, Silikon |
Bei Thermoplasten halten nur Kräfte zwischen den Ketten, etwa Van-der-Waals-Kräfte, aber keine Atombindungen. Beim Erwärmen lösen sie sich, die Ketten gleiten aneinander vorbei. Bei Duroplasten und Elastomeren halten Atombindungen die Ketten fest, das Netz lässt sich nicht lösen. Beim weitmaschigen Netz kann man das Material dehnen, und es federt zurück.
Monomer, Polymer und Polymerisation
Ein Monomer ist ein kleines Molekül, das als Baustein dient. Ein Polymer ist ein Riesenmolekül aus vielen hundert bis tausenden verknüpften Monomeren. Die Reaktion, die aus Monomeren mit einer C=C-Doppelbindung ein Polymer macht, heißt Polymerisation. Die Doppelbindung öffnet sich, und die Moleküle reihen sich zu einer Kette. Das ist wie die Addition bei den Alkenen, nur vielfach wiederholt. Es wird nichts abgespalten. Das einfachste Beispiel: Aus Ethen entsteht Polyethylen. ist die große Zahl der Bausteine.
| Monomer | Polymer | Verwendung |
|---|---|---|
| Ethen | Polyethylen (PE) | Folien, Tüten, Flaschen |
| Propen | Polypropylen (PP) | Joghurtbecher, Verschlüsse, Kisten |
| Chlorethen | Polyvinylchlorid (PVC) | Rohre, Fensterrahmen, Bodenbeläge |
PVC enthält Chlor. Brennt es, entsteht Chlorwasserstoff, der mit Feuchtigkeit Salzsäure bildet. Darum muss man bei Bränden und in der Müllverbrennung die Abgase reinigen.
Wie schwer ist ein Polyethylen-Molekül?
Wie schwer ist ein Polyethylen-Molekül?
Ein Polyethylen-Molekül besteht aus 2000 Ethen-Bausteinen ( g/mol). Wie groß ist seine molare Masse?
Bei der Polymerisation wird nichts abgespalten. Alle Atome der Monomere stecken im Polymer. Die molare Masse ist also das 2000-Fache: 2000 mal 28 g/mol = 56 000 g/mol. Polymere haben sehr hohe molare Massen.
Polypropylen aus Propen
Polypropylen aus Propen
Stelle die Polymerisation von Propen auf. Wie viele Kohlenstoff- und Wasserstoffatome enthält ein Baustein des Polymers?
Das Monomer ist . Die Doppelbindung öffnet sich, die beiden Kohlenstoffatome verbinden sich mit den Nachbarn: .
Ein Baustein hat dieselben Atome wie das Monomer: 3 Kohlenstoffatome und 6 Wasserstoffatome ().
Polykondensation
Nicht alle Kunststoffe entstehen aus Doppelbindungen. Bei der Polykondensation haben die Monomere zwei funktionelle Gruppen. Die Gruppen verschiedener Monomere reagieren miteinander, dabei wird jedes Mal ein kleines Molekül abgespalten, meist Wasser. Das kennst du schon: Aus einer Säure und einem Alkohol entsteht ein Ester, und Aminosäuren verbinden sich über Peptidbindungen. Nur geschieht es hier immer wieder, bis eine lange Kette entsteht.
| Polymerisation | Polykondensation | |
|---|---|---|
| Monomere | mit C=C-Doppelbindung | mit zwei funktionellen Gruppen |
| Vorgang | Doppelbindung öffnet sich | Gruppen reagieren, kleines Molekül fällt weg |
| Nebenprodukt | keines | meist Wasser |
| Beispiele | PE, PP, PVC | Polyester (PET), Polyamid (Nylon) |
Ein Polyester entsteht aus einer Säure mit zwei Carboxygruppen und einem Alkohol mit zwei OH-Gruppen. Er enthält viele Estergruppen. PET dient für Getränkeflaschen und Fasern, die man Polyester nennt. Ein Polyamid entsteht aus einer Säure mit zwei Carboxygruppen und einem Amin mit zwei Aminogruppen. Es ist durch -CO-NH- verbunden, wie die Peptidbindung beim Eiweiß, und dient für Strumpfhosen, Seile und Zahnbürstenborsten.
Wie entsteht Nylon?
Wie entsteht Nylon?
Nylon entsteht aus Hexandisäure und Hexan-1,6-diamin . Welches Verfahren ist das, welche Bindung verknüpft die Bausteine, was fällt als Nebenprodukt an?
Beide Monomere haben zwei funktionelle Gruppen, aber keine C=C-Doppelbindung. Es ist eine Polykondensation. Die Carboxygruppe der Säure reagiert mit der Aminogruppe des Amins. Das ist dieselbe Reaktion wie bei der Peptidbindung, es entsteht die Gruppe -CO-NH-. Das Produkt heißt deshalb Polyamid. Bei jeder Verknüpfung fällt ein Wassermolekül ab.
Eigenschaften, Vermeidung und Recycling
Kunststoffe sind leicht: Polyethylen und Polypropylen haben eine kleinere Dichte als Wasser und schwimmen, PVC sinkt. Sie leiten Strom und Wärme schlecht, sind formbar und gegen Wasser, Säuren und Laugen beständig. Zusatzstoffe verändern sie, ein Weichmacher macht aus hartem PVC einen weichen Bodenbelag. Dieselbe Beständigkeit ist ein Problem: Kunststoffe verrotten kaum. Abfälle bleiben lange in der Umwelt, im Meer zerfallen sie zu Mikroplastik (Teilchen kleiner als 5 mm), das Tiere aufnehmen.
Am besten ist es, Kunststoff zu vermeiden: weniger Einwegverpackung, Mehrwegflaschen, Beutel und Dosen mehrfach benutzen, Dinge reparieren. Was anfällt, wird verwertet:
- Werkstofflich: Der Abfall wird nach Sorte getrennt, zerkleinert, eingeschmolzen und neu geformt. Das geht nur bei Thermoplasten und sortenrein, die Qualität sinkt oft.
- Rohstofflich: Die Polymere werden bei hoher Temperatur in kleine Moleküle gespalten, aus denen sich neue Stoffe herstellen lassen.
- Energetisch: Der Kunststoff wird verbrannt, die Wärme wird genutzt. Es entsteht Kohlenstoffdioxid.
Alle Kunststoffe lassen sich einschmelzen
Alle Kunststoffe lassen sich einschmelzen
„Kunststoff lässt sich immer schmelzen und neu formen, also kann man alles recyceln.“
Das gilt nur für Thermoplaste. Duroplaste und Elastomere sind durch Atombindungen vernetzt und lassen sich nicht schmelzen. Sie zersetzen sich bei hoher Temperatur.
Bei der Polymerisation entsteht Wasser
Bei der Polymerisation entsteht Wasser
„Wie bei einem Ester entsteht bei jeder Kunststoffherstellung Wasser.“
Bei der Polymerisation öffnen sich Doppelbindungen, und die Monomere reihen sich aneinander. Es wird nichts abgespalten. Wasser entsteht nur bei der Polykondensation.
Zusammenfassung
Thermoplaste bestehen aus unverbundenen Ketten und erweichen beim Erwärmen. Duroplaste sind eng vernetzt und hart. Elastomere sind weitmaschig vernetzt und gummielastisch.
Ein Polymer ist ein Riesenmolekül aus vielen Monomeren.
Bei der Polymerisation öffnen sich C=C-Doppelbindungen, und es wird nichts abgespalten. Beispiele sind Polyethylen, Polypropylen und Polyvinylchlorid.
Bei der Polykondensation reagieren Monomere mit zwei funktionellen Gruppen, und ein kleines Molekül wie Wasser wird abgespalten. Beispiele sind Polyester (PET) und Polyamid (Nylon).
Kunststoffe sind leicht, formbar, beständig und schlechte Leiter. Sie verrotten kaum und belasten als Abfall und als Mikroplastik die Umwelt.
Möglichst vermeiden, dann werkstofflich, rohstofflich oder energetisch verwerten. Werkstoffliches Recycling gelingt nur bei Thermoplasten.
Übungen
Ein Polypropylen-Molekül besteht aus 500 Propen-Bausteinen ( g/mol). Wie groß ist seine molare Masse, in g/mol? Schreibe die Zahl ohne Punkt.
Welche Aussage über Duroplaste stimmt?
Aus welchem Monomer entsteht Polyvinylchlorid?
Bei einer Polykondensation verbinden sich 50 Moleküle einer Disäure und 50 Moleküle eines Diamins zu einer einzigen Kette. Wie viele Wassermoleküle werden insgesamt abgespalten?
Erkläre, warum man einen Topfgriff aus Duroplast nicht wie eine PE-Flasche werkstofflich recyceln kann.