Verschriftlichung des Experimentalvortrages zum Thema Kunststoffe Eigenschaften und Darstellungen

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1 Philipps-Universität Marburg Experimentalvortrag Dozenten: Prof. Dr. Bernhard Neumüller Dr. Philipp Reiß Sommersemester 2010 Verschriftlichung des Experimentalvortrages zum Thema Kunststoffe Eigenschaften und Darstellungen Autor: Martin Stolze Matrikelnummer: Marburg, den

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Was sind Kunststoffe? Historisches Kunststoffarten (Versuch 1: Erhitzen und Verformen von Kunststoffen) Thermoplaste Duroplaste Elastomere Dichte von Kunststoffen (Demo 1: Trennung verschiedener Kunststoffe aufgrund ihres spezifischen Gewichtes) Kunststoffherstellung Polymerisation (Versuch 2: Herstellung von Plexiglas (PMMA)) Polykondensation (Versuch 3: Herstellung von Nylon 6.10 (PA)) Polyaddition (Versuch 4: Herstellung von Polyurethan (PU)) Verwendung (Demo 2: Leim aus Quarkbecher) Kunststoffrecycling Energetische Verwertung Werkstoffliche Verwertung (Demo 3: Verformbarkeit eines Thermoplasts) Rohstoffliche Verwertung (Versuch 5: Rohstoffliche Nutzung durch die Reduktion von Metalloxiden) Behandlung des Themas Kunststoffe nach dem hessischem Lehrplan (G8) Quellen

3 1. Einleitung Kunststoffe oder Begriffe wie makromolekulare bzw. polymere organische Stoffe sind in aller Munde und ein Leben ohne diese ist in der heutigen Zeit kaum noch vorstellbar. Es sind Werkstoffe, welche neben einer geringen Dichte auch eine hohe Festigkeit und Elastizität aufweisen. Denken wir einmal allein nur an den Airbus, dessen Masse aufgrund der Anwendung von Kunststoffen um circa 25 Prozent reduziert wurde. So sind beispielsweise die beweglichen Ruder aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen gefertigt. Auch werden für Flugzeugteile wie die Flügel-Rumpf-Verkleidung, die Bestuhlung oder Bodenbeläge bestimmte Kunststoffsorten verwendet, welche beispielsweise mit Glas- und Kunststofffasern verstärkt sind. Früher dienten Kunststoffe als Ersatz für Naturstoffe. Heute sind sie längst keine Ersatzstoffe mehr. So werden diese im Bauwesen, in der Elektrotechnik, in der Automobilindustrie und auf vielen anderen Gebieten eingesetzt. Abb. 1 soll einmal einen kleinen Einblick über die Vielfalt an eingesetzten Kunststoffen im Haushalt sowie in der Lebensmittelindustrie geben. Abb. 1: Kunststoffe (Quelle: eigenes Foto) In dieser Verschriftlichung zum Experimentalvortrag mit dem Thema Kunststoffe - Eigenschaften und Darstellungen wird zu Beginn geklärt, was sie überhaupt sind und wie diese chemisch aufgebaut sind. Nach einem kleinen historischen Abriss erfolgen dann die Klassifizierung und die Vorstellung verschiedenen Darstellungsmöglichkeiten. Zum Schluss werden einige der unzählig vielen Verwendungszwecke kurz vorgestellt und das Recycling angesprochen. 2

4 2. Was sind Kunststoffe? Kunststoffe sind chemisch betrachtet makromolekulare bzw. polymere Stoffe, welche aus unzählig vielen stets wiederholenden Grundeinheiten, den Monomeren, aufgebaut sind. Dies ist auch der Grund, weshalb die Polymere oft Kettenmoleküle genannt werden, da sie durch vielfache, kettenförmige Verknüpfungen gekennzeichnet sind. Die Struktureinheiten der Makromoleküle stammen aus den Ausgangsstoffen, den Monomeren. Monomermolekül Strukturausschnitt aus dem Polymermolekül Polymermolekül Monomereinheit 3. Historisches Begonnen hat alles im 16. Jhd. im Jahr In diesem entdecke Wolfgang Seidel, dass man aus einem Magerkäse ein im wärmen Zustand verformbares und nach dem Erkalten ein besonders festes Material herstellen konnte. Dabei erhitzte und kühlte er den Käse solange, bis er schließlich ein hartes Material bekam, welches er Kunsthorn nannte. Mit der Erfindung dieses Kunsthorns gilt er als der Erfinder des Kunststoffs, auch wenn dieser Begriff erst später eingeführt wurde. Aufgrund der Verformbarkeit dieses Stoffes wurden so beispielsweise Geschirr und Schmuckstücke hergestellt, welche mittels Farbstoffe sogar noch gefärbt wurden. Eine zweite bedeutende Person in der Geschichte der Kunststoffe ist der Erfinder des Gummis, Charles Goodyear. Mitte des 19. Jhds. stellte er fest, dass Gummi durch Hinzugabe von Schwefel widerstandfähig wurde. Durch den Vorgang der Vulkanisation war er in der Lage, einen guten Reifenwerkstoff herzustellen. Zudem entdeckte er auch das Hartgummi (Ebonit), welches beim Erhitzen verformbare und bei Raumtemperatur harte Eigenschaften besitzt. Aber auch der Beginn der Erdölförderung an die Erdoberfläche im Jahr 1854 trug historisch gesehen zu einer Weiterentwicklung in der Kunststoffherstellung bei. Zum heutigen Zeitpunkt wäre die Produktion dieses Materials ohne dieses Verfahren und seinem Rohstoff kaum noch vorstellbar. 3

5 Wie leicht feststellbar ist, benutzten Seidel sowie auch Goodyear für die Herstellung ihrer Kunststoffe Naturstoffe als Ausgangsmaterialien. Dies änderte sich jedoch zum Beginn des 20. Jhds. Chemiker hatten die Idee einen plastischen Stoff aus zwei künstlich erzeugten Abb. 2: Bakelizer (Quelle: Mengis 2010; seite.html) Ausgangsstoffen herzustellen. Und Hendrik Baekeland war einer der ersten, dem dies gelang. Auf die Idee ist er jedoch nicht ganz alleine gekommen. Historisch gesehen stieß er im Jahr 1902 auf die Ausgabe einer Chemiezeitschrift, in welcher ein Rätsel zu einer Phenol-Formaldehyd-Reaktion zu lösen galt. Diese Reaktion machte er sich zur Lebensaufgabe und experimentierte jahrelang bis er 1907 mittels seines er- fundenen Bakelizer, einem Druckkessel, aus Phenol und Formaldehyd das hitzebeständige Bakelitharz herstellte. Es war das erste vollsynthetische Material. Zwar hat Baekeland diesen Plastik herstellen können, jedoch hatte er keine Vorstellung über den genauen Mechanismus weder noch über die Struktur seines Produktes. Erst im Jahr 1920 gelang es Hermann Staudinger mittels einer Röntgentechnik das Rätsel der Struktur des Bakelits zu lösen. Er wusste nun, dass durch die Verknüpfung vieler einzelner Moleküle (Monomere) Makromoleküle (Polymere) hergestellt werden können. Mit seiner Aussage und dem Wissen gilt Staudinger als der Erfinder der sogenannten Polymerchemie. Seit diesem Zeitpunkt an wurden nun die verschiedensten Kunststoffe wie Acrylglas (PMMA; 1930), Polyvinylchlorid (PVC; 1938), Nylon (Polyamid (PA); 1940) so- wie Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) ab 1956 synthetisch produziert. Mit fortschreitender Technologisierung wurden 20 Jahre später 1976 elektrisch leitfähige Polymere, wie diese beispielsweise in Akkus oder in Digitalkameras eingesetzt werden, entwickelt, welche ein neues Kapitel in der Geschichte der Kunststoffe einleiteten. Da sich nicht nur die Technologie entwickelte sondern auch das Umweltbewusstsein zunahm, versuchte man nun Kunststoffe aus biologisch abbaubaren Ausgangsstoffen wie Stärke oder Zucker herzustellen. Da in Zukunft die Reserven an fossilen Rohstoffen wie das Erdöl irgendwann aufgebraucht sein werden, wurden Mitte der 1980er-Jahre Methoden entwickelt, gebrauchte Kunststoffe wiederzuverwerten bzw. zu recyceln. Abb. 3: Herman Staudinger (Quelle: Mengis 2010; http: // h/html/2 seite.html) 4

6 4. Kunststoffarten (Versuch 1: Erhitzen und Verformen von Kunststoffen) Wie wir bereits aus der Einleitung her wissen, werden Kunststoffe in sehr vielen Bereichen eingesetzt, welche unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt sind. Trotz vieler Gemeinsamkeiten aller Kunststoffe sind diese dennoch verschieden. So verhalten sich die Makromoleküle beispielsweise beim Erwärmen ganz unterschiedlich. Aufgrund dieser Eigenschaft kann man sie in drei Klassen voneinander unterscheiden. 4.1 Thermoplaste Thermoplaste sind Kunststoffe, welche beim Erwärmen in den plastischen Zustand übergehen. Sie lassen sich unter diesen Gegebenheiten verformen und behalten beim Abkühlen ihre gegeben Form (siehe Demonstrationsversuch 3). Diese Verformbarkeit liegt im Aufbau begründet. Diese bestehen nämlich aus unverzweigten oder wenig verzweigten Makromolekülen, zwischen denen relativ schwache zwischenmolekulare Kräfte (Van-der- Waals-Kräfte, Wasserstoffbrückenbindungen) herrschen. Wird ein Thermoplast erhitzt, verschieben sich die Molekülketten aufgrund ihrer nicht besonders festen Bindung gegeneinander und positionieren sich räumlich anders. Der Kunststoff wird somit verformt. Beispiele für Thermoplaste sind Behälter aus Polystyrol (PS), Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP). 4.2 Duroplaste Duroplaste lassen sich beim Erwärmen nicht verformen und bleiben formstabil. Diese Makromoleküle sind engmaschig über Querverbindungen miteinander vernetzt, welche aus kovalenten Bindungen bestehen. Wird ein solcher Kunststoff erhitzt, gelingt es den Ketten aufgrund ihrer starken Verzweigung nicht sich aneinander vorbei zu bewegen, im Gegensatz zu den Thermoplasten, und verharren in ihrer Struktur. Eine solche Art von Kunststoff wird beispielsweise für hitzebeständige Steckdosen eingesetzt. 4.3 Elastomere Elastomere sind Polymere, welche elastische Eigenschaften aufweisen. Diese bestehen aus weitmaschig vernetzten Makromolekülen. Die Struktur dieser Kunststoffart ähnelt der der Duroplaste. Die Molekülketten sind nämlich auch an manchen Stellen durch kovalente Bindungen miteinander verknüpft, jedoch nur schwach miteinander vernetzt. Eher entspricht die Struktur eines Elastomers einer Verknäulung. Deren elastische Verformung bezeichnet man als Entropie-Elastizität. Im ungedehnten Zustand nehmen dabei die Makromoleküle ihre bevorzugte Verknäulung ein. Es liegt eine hohe Entropie vor. Wird nun auf einem 5

7 Elastomer eine Kraft ausgeübt, so werden die Makromoleküle gestreckt, welches eine Abnahme der Entropie zur Folge hat. Da jedoch ein Zustand höherer Entropie bevorzugt wird, zieht sich dieser beim Entspannen wieder in seinen Ausgangszustand zurück. Abb. 4 zeigt, wie ein Elastomer (z.b. Gummi) unter einer Kraft ausgesetzt ist. Wird nun versucht das Gummi mittels eines Föns zu erwärmen, so dehnt es sich nicht aus, wie es beispielsweise die Metalle tun, sondern zieht sich zusammen. Hierbei rücken die verknäulten Makromoleküle dichter zusammen und das Gummi wird dadurch kürzer. Das nachfolgende Diagramm fasst noch einmal die eben beschriebenen Informationen kurz zusammen. Abb. 4: Versuchsaufbau - Elastomer (Quelle: eigenes Foto) 6

8 Versuch 1: Erhitzen und Verformen von Kunststoffen Gesamtgleichung: keine Chemikalien: keine Geräte: - Magnetrührer mit Heizelement - Alufolie - Plastikbecher - Verlängerungsschnur - Stativmaterial - Gummi - Fön - Gewicht Versuchsaufbau: siehe Abb. 4 Versuchsdurchführung: Die Heizplatte des Magnetrührers wurde zu Beginn mit Alufolie ummantelt. Danach wurde das Heizelement eingeschaltet und ein Plastikbecher sowie die Steckdosenabdeckung auf die Platte gelegt. Bei einem anderen Aufbau wurde eine Kraft mittels Gewichten auf das Gummi ausgeübt und dieses dann mit einem Fön erhitzt. Beobachtung: Der Plastikbecher verformte sich beim Erhitzen auf der Heizplatte. Die Steckdosenabdeckung blieb formstabil. Das Gummi zog sich beim Erhitzen zusammen. Auswertung und theoretischer Hintergrund: siehe oben Methodisch-didaktische Analyse Einordnung in den Lehrplan Diese kleinen Versuche bieten sich optimal für den Einsatz in der Klassenstufe 11 (verpflichtend) zum Thema synthetische Makromoleküle als Einführung in die Thematik ein. Hierbei werden die Kunststoffe klassifiziert und ein Zusammenhang zwischen den Strukturen und Eigenschaften hergestellt. In der Klassenstufe 12 sind die Kunststoffe zwar als Wahlthema vorgesehen, jedoch sollten bis dahin die Schülerinnen und Schüler schon die 7

9 Grundlagen aus der 11. Klasse beherrschen, sodass nach einer eventuellen kurzen Wiederholung das Thema weiter ausgebaut werden kann. Aufwand Der Aufbau der jeweiligen Apparatur benötigt je nach Geschick und Übung etwas Zeit. Die zu beobachtenden Ergebnisse in der Durchführung lassen sich jedoch nach kurzer Zeit feststellen. Der Abbau benötigt wenige Minuten. Durchführung Zu den Versuchen bezüglich der Thermoplaste und Duroplaste gibt es keine besonderen Hinweise bei der Durchführung. Bei dem Versuch mit dem Gummi als Elastomer sollte man, um ein deutlich sichtbares Resultat sehen zu können, sich einen Punkt auf einen daneben positionierten Lineal markieren, das Gummi erhitzen und dann einen weiteren setzen. Da vermutlich nicht genügend Geräte und Apparaturen für jede/n Schülerin/er zu Verfügung steht, bieten sich diese Versuche für den Lehrer zur Demonstration an. 4.4 Dichte von Kunststoffen Kunststoffe kann man jedoch nicht nur nach ihren Eigenschaften beim Erhitzen einteilen. Auch über die Dichte lassen sich Kunststoffarten wie Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polystyrol (PS) oder auch Polyethylenterephthalat (PET) voneinander unterscheiden, was der nachfolgende Versuch sehr eindrucksvoll beweist. Demonstrationsversuch 1: Trennung verschiedener Kunststoffe aufgrund ihres spezifischen Gewichtes Gesamtgleichung: keine Chemikalien: Chemikalien: Gefahrensymbole R-Sätze S-Sätze Menge Verwendbar nach HessGiss Ethanol (C 2 H 5 OH (aq) ) F SI entionisiertes Wasser SI (H 2 O (l) ) Natriumthiosulfat kg SI 8

10 Geräte: - 5 kleine Siebe - 5 * 600 ml Bechergläser ml Messzylinder - Pinzette - Magnetrührer mit Rührfisch - Glasstab - Aräometer - 4* 250 ml Becherglas - Kunststoffstücke (PP, PE, PS, PET) Versuchsaufbau: Abb. 5: Versuchsaufbau - Trennung verschiedener Kunststoffe aufgrund ihres spezifischen Gewichtes (Quelle: eigenes Foto) Versuchsdurchführung: Zu Beginn wurden die Lösungen mit unterschiedlichen Dichten mit Hilfe eines Aräometers angesetzt: Ethanol/Wasser-Gemisch Dichte: 0,92 g/ml Wasser Dichte: 1 g/ml Natriumthiosulfat/Wasser Dichte: 1,1 g/ml Natriumthiosulfat/Wasser Dichte: 1,4 g/ml Jede der hergestellten Lösungen gab man in je ein 250 ml Becherglas. In das mit der geringsten Dichte (Ethanol/Wasser-Gemisch) wurde nun das Kunststoffschnipsel-Gemisch 9

11 gegeben und rührte mit einem Glasstab um. Die auf der Oberfläche der Lösung schwimmenden Kunststoffschnipsel wurden unter Verwendung einer Pinzette herausgefischt. Die am Boden liegenden Kunststoffschnipsel goss man zusammen mit der Lösung durch ein Sieb. Diese Aufgefangenen trocknete man nun mit Klopapier und gab diese in die nächst dichtere Lösung (Wasser). Die weiteren Durchführungsschnitte dieses Versuches erfolgten analog zu den Vorherigen bis zur Lösung mit der höchsten Dichte. Beobachtung: In den Lösungen mit den unterschiedlich hohen Dichten sammelten sich folgende Kunststoffschnipsel an der Oberfläche sowie am Boden (siehe Abb. 5). Entsorgung: Die angesetzten Lösungen wurden neutral in den Ausguss gegeben. Auswertung und theoretischer Hintergrund: Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polystyrol (PS) und Polyethylenterephthalat (PET) haben unterschiedliche Dichten und lassen sich mittels unterschiedlich dichten Lösungen voneinander trennen. Dabei sinken immer diejenigen Kunststoffschnipsel zu Boden, dessen Dichte großer als die der Lösung ist. Somit hat der Kunststoff Polypropylen im Vergleich zu allen anderen Kunststoffsorten die geringste Dichte und bleibt auch bei der Lösung mit der geringsten Dichte an der Oberfläche. PET mit seiner größten Dichte schwimmt erst bei der Lösung mit der größten Dichte an der Oberfläche. Polypropylen (PP) < Polyethylen (PE) < Polystyrol (PS) < Polyethylenterephthalat (PET) Methodisch-didaktische Analyse Einordnung in den Lehrplan Wie auch der Versuch 1 Erhitzen von Kunststoffen bietet sich dieser Versuch in der Klassenstufe 11 als Einstieg an (siehe Versuch 1: Einordnung in den Lehrplan). Zusätzlich kann jedoch der Versuch auch beim Recycling thematisch aufgegriffen werden. Denn bei der werkstofflichen Verwertung wird genau das gleiche Prinzip der Kunststofftrennung angewandt, wie es in diesem Versuch auf einfache Art und Weise durchgeführt wurde. 10

12 Aufwand Dieser Versuch benötigt schon ein wenig Vorbereitungszeit. Man sollte mit dem Ansetzen der unterschiedlich dichten Lösungen circa 2 Stunden einplanen, da erst eine gesättigte Natriumthiosulfat-Lösung angesetzt werden muss, um diese dann auf die entsprechenden Dichten mit Wasser zu verdünnen. Fraglich wird es sein, ob jede Schule über ein Aräometer verfügt. Die Durchführung dauert je nach Arbeitsgeschwindigkeit maximal 15 Minuten. In der Nachbereitung müssen die Lösungen entsorgt, die Kunststoffschnipsel und die anderen benutzten Glasgeräte gereinigt werden, was nochmals Zeit in Anspruch nimmt. Durchführung Dieser Versuch sollte als Demonstration vom Lehrer den Schülerinnen und Schülern gezeigt werden. Ein Schülerexperiment ist nicht zwingend notwendig, da das Ergebnis stets dasselbe ist. Einmal zeigen reicht da voll und ganz aus. Die Lösungen müssen bereits vor der Präsentation angesetzt werden, da das Ansetzen nicht in den Zeitrahmen einer bzw. einer Doppelstunde passt. Vielleicht bietet sich hierbei das Herstellen der unterschiedlich dichten Lösungen in einer Chemie-AG an. So würden die Schülerinnen und Schüler mit einem Bestimmungsgerät zur Dichte arbeiten und deren Funktionsweise praktisch nachvollziehen können. 5. Kunststoffherstellung Polymerisation, Polykondensation und Polyaddition sind Bildungsreaktionen für Polymere. Dabei lässt sich die Polymerisation in radikalisch, ionisch (anionisch, kationisch) sowie koordinativ unterscheiden. Das folgende Baumdiagramm zeigt nochmal die verschiedenen Reaktionen für die Herstellung der Kunststoffe mit einem dazugehörigen Beispiel. 11

13 5.1 Polymerisation Bei der Polymerisation werden geeignete Monomere in Polymere überführt, welche man als Polymerisate bezeichnet. Strukturelle Voraussetzung der Monomere für diese Art der Reaktion sind Doppelbindungen in den Monomermolekülen oder polare Einfachbindungen cyclischer Monomersysteme (Bsp.: ε-caprolactam). Die Polymerisation verläuft nach dem Mechanismus der radikalischen, elektrophilen oder nukleophilen Addition. Je nach Art des aktiven Zentrums aktivierter Monomermoleküle, Radikal, Carbenium-Ion, Carbanion oder reaktionsfähige Komplexe, unterscheidet man in radikalische, elektrophile, nukleophile und koordinative Polymerisation, welche Kettenreaktionen darstellen. Dabei wachsen die Makromoleküle durch rasch aufeinander folgende Addition der Monomermoleküle an das aktive Zentrum. In dieser Verschriftung wird die Herstellung von Kunststoffen mittels Polymerisation anhand der Bildung des Polymers Polymethylmethacrylat (PMMA) näher erläutert (Versuch 2). 12

14 Versuch 2: Herstellung von Plexiglas (Polymethylmethacrylat (PMMA)) Gesamtgleichung: Chemikalien: Chemikalien: Dibenzoylperoxid (C 14 H 10 O 4(s) ) Methacrylsäuremethyle ster (C 5 H 8 O 2(l) ) Sudanrot (C 22 H 16 N 4 O (s) ) Gefahrensymbole R-Sätze S-Sätze Menge Verwendbar nach HessGiss E, Xi (2)-3/7- eine LV Spatels 36/37/3 pitze 9 F, Xi 11- (2)-24-3 ml SI 37/38-43 Xn 36/37/ /37 eine Spatels pitze SI Geräte: - 10 ml Messpipette - Stativmaterial - Reagenzglas - Reagenzglasständer - Magnetrührer mit Rührfisch ml Becherglas - Reagenzglasklammer - Peleusball - Thermofühler Versuchsaufbau: Stativmaterial Thermofühler Becherglas Magnetrührer mit Rührfisch Reagenzglas Abb. 6: Versuchsaufbau - Herstellung von Plexiglas (Polymethylmethacrylat (PMMA)) (Quelle: eigenes Foto) 13

15 Versuchsdurchführung: Zu Beginn des Versuches wurde ein Becherglas mit Wasser gefüllt und auf dem Magnetrührer auf 90 C erhitzt. Danach wurden in einem Reagenzglas 3 ml Methacrylsäuremethylester pipettiert und je eine Spatelspitze Dibenzoylperoxid und Sudanrot hinzugegeben und dieses solange geschüttelt, bis sich die festen Stoffe gelöst haben. Danach wurde das Reagenzglas für circa 5-10 Minuten in 90 C heißem Wasserbad erhitzt und zum Schluss nach Eintreten der Reaktion abgekühlt. Die Versuchsdurchführung erfolgte im Abzug! Beobachtung: Das Dibenzoylperoxid und das Sudanrot lösten sich gut in Methacrylsäuremethylester. Nachdem das Gemisch im Wasserbad erhitzt wurde, konnte man eine Viskositätszunahme beobachten. Das flüssige Gemisch war nun fest geworden und konnte aus dem Reagenzglas nicht gegossen werden. Deswegen wurde der Versuch nochmals durchgeführt, um diesmal die zähflüssige Masse aus dem Reagenzglas auf einen geraden Untergrund gießen zu können. Das Ergebnis ist in Abb. 7 zu sehen. Abb. 7: Plexiglas (Polymethylmethacrylat (PMMA)) (Quelle: eigenes Foto) Entsorgung: Das Reagenzglas wurde zusammen mit dem Reagenzglas in die Feststofftonne entsorgt. Auswertung: Das in diesem Versuch hergestellte Polymethylmethacrylat (PMMA) wird nach dem Mechanismus der radikalischen Polymerisation gebildet. Der Verlauf dieser Reaktion lässt sich in drei Schritte unterteilen: Kettenstart Kettenwachstum Kettenabbruch Bevor die eigentliche Reaktion des Kettenstarts beginnen kann, muss zuvor ein Radikal gebildet werden, welches dann die Reaktion einleitet. Das radikalliefernde Molekül bei 14

16 diesem Versuch ist Dibenzoylperoxid (DBPO), welches durch Hinzufügen von Wärmeenergie leicht in seine Radikale zerfällt. Hierbei wird die Bindung zwischen den zwei Sauerstoff- Atomen homolytisch gespalten. Das bei dieser Reaktion beteiligte Elektronenpaar teilt sich dabei auf die beiden Sauerstoffatome auf, jeder bekommt ein Elektron. Zwar liegen jetzt schon Radikalmoleküle vor, jedoch spaltet sich in einem weiteren Schritt noch Kohlenstoffdioxid ab, sodass Phenylradikale gebildet werden. Bildung des Startradikals: Mit der Bildung des Phenylradikals kann jetzt die Startreaktion erfolgen. Nun versuchen die Radikale aufgrund ihrer hohen Reaktivität einen Reaktionspartner zu finden, dem sie das fehlende Elektron geben können. In diesem Fall bieten sich die elektrophilen Doppelbindungen des Monomers (Methacrylsäuremethylester) an. Kommt das reaktive Radikal in die Nähe dieser, so bricht diese Bindung auf. Das Radikal kann nun mit einem der beiden freigewordenen Elektronen eine Bindung eingehen. Das andere freie Elektron bleibt übrig und wandert zum benachbarten Kohlenstoff-Atom. Es ist nun wiederum ein Radikal entstanden, welches im Vergleich zum Ersten größer ist. Auch dieses größere Radikal ist wieder sehr reaktiv und reagiert mit einem weiteren Methacrylsäuremethylester-Molekül. In diesem zweiten Schritt, dem Kettenwachstum, wachsen so die radikalischen Moleküle immer weiter. Die Kette pflanzt sich fort und nimmt zu. 15

17 1. Schritt: Kettenstart: 2. Schritt: Kettenwachstum Der Kettenwachstumsschritt erfolgt solange bis die Kette abbricht (dritter Schritt: Kettenabbruch). Dies kann auf unterschiedliche Art und Weise geschehen. Eine Möglichkeit des Abbruchs stellt die Rekombination dar, bei der aus zwei Radikalen ein nicht radikalisches Molekül entsteht. Bei dieser Reaktion binden sich die beiden ungepaarten Elektronen zu einem Elektronenpaar. Es entsteht ein Molekül, welches nicht mehr so reaktiv ist wie das Radikal und keine weiteren Reaktionen mehr eingeht. 3. Schritt: Kettenabbruch (durch Rekombination) Eine andere Variante des Kettenabbruchs stellt die Disproportionierung dar. Hierbei reagiert das Radikal nicht mit dem freien Elektronenpaar des zweiten Radikals, sondern spaltet eine C-H-Bindung des anderen Moleküls und reagiert mit dem Wasserstoff-Atom von dem 16

18 Kohlenstoff-Atom, welchem dem radikalischen Kohlenstoff-Atom des anderen Moleküls am nächsten ist. Die beiden freien Elektronen der benachbarten Kohlenstoff-Atome gehen mit der bestehenden Kohlenstoff-Einfachbindung eine Doppelbindung ein. 3. Schritt: Kettenabbruch (durch Disproportionierung) Theoretischer Hintergrund: Plexiglas ist unter diesem Namen ab 1933 bekannt. In diesem Jahr gelang es der Firma Röhm & Haas AG diesen transparenten Kunststoff herzustellen. Bereits im Jahr 1912 experimentierte Otto Röhm, der Gründer dieser Firma, mit Acrylsäureestern. Er stellte dabei einen elastischen Stoff her, welchen er dem Namen Glasgummi gab. Erst nach 18 Jahren Experimentieren stellte sich heraus, dass Methacrylsäuremethylester der geeignetste Ausgangsstoff für die Herstellung des Kunststoffes war. Acrylglas ist transparent und im unverzerrten Zustand für das Licht durchlässig. Bei Erwärmung des Kunststoffes auf etwa C ist PMMA verformbar, lässt sich pressen und in anderen Formen blasen. Plexiglas kann zudem bei Raumtemperatur gesägt, gebohrt, gefräst sowie poliert werden. Gegen Wasser, Laugen, verdünnten Säuren und Benzin ist es beständig. Hingegen kann es von Alkohol, Aceton, Benzol und Chlorkohlenwasserstoffen angegriffen werden, sodass sich der Kunststoff in ihnen löst. Hergestellt wird Plexiglas durch Polymerisation von Methacrylsäuremethylester. Als Initiator, also Stoffe, welche in Reaktionsgemische hinzu gegeben werden um die gewünschte Reaktion zu ermöglichen, wird Dibenzoylperoxid eingesetzt. Ein weiterer geeigneter Radikalbilder bei der Polymerisation ist 17

19 Azoisobutyronitril (AIBN), bei dem unter Abspaltung eines Stickstoffmoleküls Cyanopropylradikale gebildet werden und mit den Monomeren Bindungen eingehen können. Plexiglas wird in vielerlei Hinsicht eingesetzt. Aufgrund seiner besonderen Eigenschaften wird es als Splitterschutzglas in der Automobilindustrie und in Flugzeugen sowie als Sicherheitsglas für Arbeitsmaschinen eingesetzt. Es findet aber auch noch bei der Herstellung von Kontaktlinsen, Brillengläsern, Uhren, Lupen und Linsen für Fotoapparate Anwendung. Methodisch-didaktische Analyse Einordnung in den Lehrplan Dieser Versuch ist im Lehrplan in der Klassenstufe 11 unter dem Thema Synthetische Makromoleküle anwendbar. Dieser kann jedoch auch in der Klassenstufe 12 zum Wahlthema Natürliche und synthetische Makromoleküle und Feststoffgitter eingesetzt und weitergeführt werden. Die Schülerinnen und Schüler lernen in diesem Teil etwas über die Klassifizierung von Kunststoffen und den grundlegende Aufbau von Makromolekülen. Zudem lernen sie weiterführend die verschiedenen Reaktionstypen zur Verknüpfung von Monomeren zu Makromolekülen, wie in diesem Beispiel die Polymerisation, kennen. Dieser Versuch ist somit gut in die Thematik einsetzbar. Aufwand Dieser Versuch ist in circa 10 Minuten, vorausgesetzt die Apparatur wurde bereits aufgebaut, durchführbar. Der Aufbau dieser benötigt etwa 5-10 Minuten in der Vorbereitung. Eine Nachbereitung gibt es nicht. Lediglich die Apparatur muss wieder abgebaut werden. Durchführung Leider ist dieser Versuch nur von dem Lehrer und nicht von den Schülerinnen und Schülern durchführbar. Gerade dieser anschauliche Versuch darf aufgrund des gefährlichen (explosiven) Dibenzoylperoxids nicht in die Hände dieser gelangen. In einem Reagenzglas 18

20 durchgeführt, können sie jedoch das fertige Endprodukt als Erinnerung mit nach Hause nehmen. Zudem wirkt der Versuch durch zusätzliche Zugabe eines Farbstoffes, in diesem Fall Sudanrot, besser veranschaulicht, als es ohne diesen der Fall wäre. Wichtig ist, dass die Durchführung des Versuchs der Kunststoffherstellung unter einem Abzug erfolgt. 5.2 Polykondensation Bei dieser Möglichkeit der Kunststoffherstellung eignen sich Verbindungen mit mehreren funktionellen Gruppen verschiedener Moleküle, welche miteinander reagieren. Unter Abspaltung eines niedermolekularen Produktes entsteht so das Polykondensat. Im folgenden Versuch wird so aus Sebacinsäuredichlorid mit seinen Carbonyl- bzw. Säurechlorid-Gruppen und Hexamethylendiamin mit seinen Hydroxylgruppen das Polykondensat Polyamid 6.10 (Nylon 6.10) hergestellt. Versuch 3: Herstellung von Nylon 6.10 Gesamtgleichung: O n Cl Cl + n NH 2 H 2 N - 2n HCl O O C H 3 NH NH CH 3 O (n) Chemikalien: Chemikalien: Sebacinsäuredichlorid (C 10 H 18 O 2 Cl 2(l) ) 1,6 Diaminohexan (Hexamethylendiamin; C 6 H 16 N 2(s) ) Gefahrensymbole R-Sätze S-Sätze Menge Verwendbar nach HessGiss Xi 36/37/ ml SI C 21/ / /37/ ,2 g SI entionisiertes Wasser SI (H 2 O (l) ) Hexan (C 6 H 14(l) ) F, Xn, N /20- (2) ml SI 19

21 33-36/ Natriumcarbonat (Na 2 CO 3(s) ) Phenolphthalein- Lösung (C 20 H 14 O 4(aq) ) /53 Xi g SI einige Tropfen SI Geräte: ml Becherglas - Glasstab - Waage - Magnetrührer mit Rührfisch ml Becherglas - Spatel Versuchsaufbau: Becherglas Abb. 8: Versuchsaufbau und -durchführung - Herstellung von Nylon 6.10 (Quelle: eigenes Foto) Durchführung: In einem Becherglas wurden 2 ml Sebacinsäuredichlorid in 50 ml Hexan gelöst. In einem weiteren Becherglas wurden 4 g Natriumcarbonat und 2,2 g Hexamethylendiamin in 50 ml entionisiertem Wasser gelöst. Zusätzlich wurden noch einige Tropfen an Phenolphthalein zur Lösung hinzugegeben. Vorsichtig wurde nun diese Lösung mit Sebacinsäure-Hexan-Lösung überschichtet. Nun wurde mit Hilfe des Glasstabes versucht, einen Faden aus der Lösung zu ziehen. Beobachtung: Trafen die beiden Lösungen aufeinander, so bildete sich eine Phasengrenze aus. Es bildete an der Grenze sich ein weißer Film, welcher mit einem Glasstab oder einem Spatel herausgezogen werden konnte. 20

22 Entsorgung: Der Nylonfaden wurde in die Feststofftonne, die Lösungen in den Behälter für organische Lösungsmittel entsorgt. Auswertung: Die Herstellung von Nylon wie in diesem Versuch wird durch die sogenannte Polykondensation ermöglicht. Bei dieser schließen sich zwei funktionelle Gruppen zweier verschiedener Moleküle unter Abspaltung eines Kleineren wie H 2 O oder wie in diesem Fall HCl zu einem Makromolekül zusammen. Ist das entstandene Polymer aus gleichen Monomeren aufgebaut, so bezeichnet man die Reaktion als Polymerisation. Besteht es aus zwei verschiedenen Monomeren, so ist von der Copolymerisation die Rede. Bei der Herstellung von Nylon schließen sich die funktionellen Gruppen des Säurechlorids des Sebacinsäuredichlorids mit dem primären Amin des Hexamethylendiamin zusammen. Dies geschieht nach folgendem Mechanismus (Copolymerisation): O Cl Cl NH 2 H 2 N O O Cl H Cl N + NH 2 H O - O Cl N H NH 2 + HCl weitere Polymerisationen O O C H 3 NH NH CH 3 O (n) Damit der Effekt besser zu beobachten ist, wurden Sebacinsäuredichlorid und Hexamethylendiamin in verschiedenen Lösungsmitteln (Hexan und Wasser) gelöst. Zudem ist dadurch die Polymerisation besser kontrollierbar und das Nylon kann an der Phasengrenze besser gezogen werden. 21

23 Theoretischer Hintergrund: Nylon ist ein sogenanntes Polyamid, ein Polymer, bei welchem im Molekül als charakteristisches Merkmal die Monomereinheit der Amidgruppe wiederholt auftritt. Sie ist das Produkt der Polykondensation aus einer Carbonsäure und eines Amins. Die dabei entstehende Bindung wird demnach als Amidbindung bezeichnet, welche hydrolytisch wieder spaltbar ist. Eine Vielzahl an technisch bedeutsamem Polyamide sind teilkristalline thermoplastische Polymere. Sie zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit, Steifigkeit sowie Zähigkeit aus und lassen sich gut weiterverarbeiten. Im Labor kann mit wenigen Hilfsmitteln ein Stoff auf Polyamid getestet werden. Dazu benötigt es lediglich einem Feuerzeug. Wird ein Kunststoffteil angezündet, brennt Polyamid mit blauer Flamme und gelblichem Rand. Das brennende Material schäumt währenddessen etwas auf und es bildet sich ein braunschwarzer Rand. Wird die Flamme ausgeblasen, riecht der Rauch hornartig. Polyamid wird auf verschiedenen Art und Weise genutzt. Der größte Teil der Produktion an Polyamid wird in der Textilindustrie für z.b. Kitteln, Schwämme, Regenbekleidung, Teppichböden, Nylonstrümpfe oder als Mähfaden für Rasentrimmer u.a. verwendet. Des Weiteren findet es Verwendung in der Herstellung von unzerbrechlichen Haushaltgegenständen (Tupperware) und technischen Teilen wie Dübel, Schrauben oder Kabelbinder zum Einsatz. Selbst die Borsten einer Zahnbürste werden aus diesem Stoff hergestellt. Im Fahrzeugbau werden Polyamide aufgrund ihrer Beständigkeit gegenüber Schmier- und Kraftstoffen bis über 150 C für Motoranbauteile, Kraftstoffleitungen oder Motorabdeckungen eingesetzt. Methodisch-didaktische Analyse Einordnung in den Lehrplan Dieser Versuch ist im Lehrplan in der Klassenstufe 11 unter dem Thema Synthetische Makromoleküle anwendbar. Dieser kann jedoch auch in der Klassenstufe 12 zum Wahlthema Natürliche und synthetische Makromoleküle und Feststoffgitter eingesetzt und weitergeführt werden. Die Schülerinnen und Schüler lernen in diesem Teil etwas über die Klassifizierung von Kunststoffen und den grundlegende Aufbau von Makromolekülen. Zudem lernen sie weiterführend die verschiedenen Reaktionstypen zur Verknüpfung von 22

24 Monomeren zu Makromolekülen (Polymerisation, Polykondensation u.a.) kennen. Dieser Versuch ist somit gut in die Thematik integrierbar. Aufwand Der Versuch ist innerhalb einer Unterrichtsstunde gut durchführbar. In der Vorbereitung müssen die Chemikalien besorgt und angesetzt werden. Alle Chemikalien müssten dabei in der Schule vorhanden sein. Dies beansprucht eine Zeit von höchstens 10 Minuten. Die Durchführung geht schnell vonstatten. Je nachdem wie lang der Nylonfaden sein soll, werden höchstens 5 Minuten dafür benötigt. In der Nachbereitungsphase müssen lediglich die Lösungen neutralisiert und entsorgt werden. Durchführung Dieser Versuch kann von den Schülerinnen und Schülern sowie vom Lehrer durchgeführt werden. Jedoch würde ich hier die Schülerinnen und Schüler selber experimentieren lassen, da der Effekt des Lernens größer ist. Falls kein Sebacinsäuredichlorid vorhanden sein sollte, kann stattdessen auch Adiptinsäurechlorid für die Durchführung genommen werden. Wichtig bei der Herstellung des Nylonfadens ist, dass die Überschichtung der Lösungen langsam erfolgt. Ansonsten bilden sich nylonartige Klumpen an der Phasengrenze und es kann kein Faden mehr gezogen werden. 5.3 Polyaddition Die Polyaddition ist eine weitere mögliche Darstellungsmethode für die Herstellung von Kunststoffen. Ausgangsstoffe für die Bildung von Polyaddukten sind zwei unterschiedliche polyfunktionelle Monomere. Deren Moleküle verfügen einerseits dabei meist über polare Mehrfachbindungen und andererseits über reaktionsfähige Wasserstoff-Atome. Im nachfolgenden Versuch wurden hierfür ein Diisocyanat mit seiner reaktionsfähigen C=N- Bindung und ein mehrwertiger Alkohol mit seiner Hydroxylgruppe (OH-Gruppe) eingesetzt. 23

25 Versuch 3: Herstellung von Polyurethan Gesamtgleichung: Nebenreaktion: Chemikalien: Chemikalien: Gefahrensymbole R-Sätze S-Sätze Menge Verwendbar nach HessGiss Xn g SI 36/37/38 36/ /43 45 Diphenylmethandiisocyanat (OCN-C 6 H 4 -CH 2 -C 6 H 4 -NCO (l) ) Lignin (s) g SI entionisiertes Wasser ,5 ml SI (H 2 O (l) ) 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan (DABCO) (C 6 H 12 N 2(s) ) Xn 22-36/ g SI Geräte: - Spatel ml Becherglas/Plastikbecher - Waage - Glasstab - Magnetrührer mit Thermofühler Versuchsaufbau: Bechergläser Glasstab Diphenylmethandiisocyanat Lignin DABCO Abb. 9: Versuchsaufbau 24

26 Versuchsdurchführung: In je einem Becherglas wurden 15 g Diphenylmethandiisocyanat, 5 g Lignin und 1 g 1,4- Diazabicyc-lo[2.2.2]octan eingewogen. Anschließend wurde eine Mischung aus Lignin und Diphenylmethandiisocyanat zusammen in einem Becherglas für 2-3 Minuten in ein circa 60 C warmes Wasserbad unter Rühren erwärmt. Zusätzlich gab man noch einen halben Milliliter entionisiertes Wasser hinzu. Anstelle des Becherglases kann jedoch auch ein Plastikbecher verwendet werden. Anschließend wurde 1 g 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan hinzugefügt und kurz mit dem Glasstab eingerührt. Nun musste man circa eine Minute warten. Beobachtung: Nachdem zu Diphenylmethandiisocyanat das Lignin gegeben und erwärmt wurde, war keine Reaktion zu beobachten. Bei Hinzufügen von 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan hingegen schäumte das Gemisch unter großer Volumenzunahme auf (Abb. 10). Nach etwa 15 Minuten endete die Reaktion und der schwarze Schaum härtete aus. Entsorgung: Polyurethanschaum wurde zusammen mit dem Becherglas/Plastikbecher in den Behälter für Feststoffe entsorgt. Abb. 10: Polyurethanschaum (Quelle: eigenes Foto) Auswertung: Die Herstellung von Polyurethan erfolgt nach dem Mechanismus der Polyaddition, bei welchem dieser Kunststoff aus einem Diol (Dialkohol) und einem Diisocyanat synthetisiert wird. Jedoch reagieren diese beiden Ausgangsstoffe (Edukte) nicht einfach miteinander. Man benötigt einen Katalysator, in diesem Versuch 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan (DABCO), damit die Reaktion vonstatten läuft. Das Molekül DABCO besitzt an seinen beiden Stickstoff-Atomen je ein freies Elektronenpaar und ist somit ein gutes Nukleophil. Es wird somit von positiv polarisierten oder geladenen Atomen angezogen. In diesem Fall ist das Wasserstoff-Atom der Hydroxylgruppe ein solches, welches mit dem freien Elektronenpaar des DABCO eine Wasserstoffbrückenbindung ausbildet und eine Verschiebung der positiven Polarisierung auf das Stickstoff-Atom 25

27 herbeiführt. Aufgrund dieser stärkeren Polarisierung ist im Gegenzug das Sauerstoff-Atom reaktiver geworden als vorher. Zusätzlich nimmt die Polarisierung des Molekül-Komplexes zu, da der Abstand der polarisierten Atome größer geworden ist. Mit dieser stärkeren Polarisierung sucht sich nun das Sauerstoff-Atom einen Reaktionspartner, mit welchem es sich seinen Elektronenüberschuss teilen kann. In diesem Fall wäre es das elektronenarme elektrophile Kohlenstoffatom der Isocyanat-Gruppe, da es von zwei elektronegativeren Atomen, nämlich vom Sauerstoff- sowie Stickstoff-Atom, umgeben ist, daher stark positiv polarisiert und somit gut von dem negativ polarisiertem Sauerstoff-Atom der Hydroxylgruppe des Diols angreifbar ist. Dieses bildet nun mit einem seiner freien Elektronenpaare eine Bindung zum Kohlenstoff- Atom aus. Ein Elektronenpaar der Doppelbindung verschiebt sich dabei zum Stickstoff-Atom und ist somit formal negativ geladen, das Sauerstoff-Atom partial positiv. In einem weiteren Schritt bildet nun das Stickstoff-Atom mit einem seiner freien Elektronenpaare eine Bindung zum Wasserstoff-Atom, welches momentan noch am positiv geladenen Sauerstoff-Atom bindet, aus. Das nun freie Elektronenpaar der H-O-Bindung lagert sich am formal positiv geladenen Sauerstoff-Atom an. Im letzten Schritt bildet sich die Wasserstoffbrückenbindung zurück, indem das freie Elektronenpaar der N-H-Bindung sich zum Stickstoff-Atom des DABCO verschiebt. Entstanden ist ein bifunktionelles Molekül mit einer Urethanbindung. 26

28 Damit aus diesem Molekül nun ein Polyurethan wird, wächst dieses aufgrund seiner Isocyanat- sowie Hydroxylgruppe mit weiteren Diolen und Diisocyanaten weiter zum letztendlichen Polymer. Der bei dem Versuch gebildete Schaum ist mit dem nachfolgenden Mechanismus zu erklären. Bei diesem reagieren die Isocyanat-Gruppen des Diisocyanats mit Wasser zu Aminen. Als Nebenprodukt wird dabei das gasförmige Kohlenstoffdioxid freigesetzt. Theoretischer Hintergrund: Polyurethane sind Kunststoffe, welche sich aus Diolen und Diisocyanaten synthetisch herstellten lassen, deren charakteristisches Merkmal die Urethan-Gruppe ist. Entwickelt wurde dieses Diisocyanat-Additionsverfahren vom deutschen Chemiker Otto Bayer im 27

29 Jahre Polyurethane können je nach Synthese hart und spröde, jedoch auch weich und elastisch sein. So wird dieser beispielsweise in weicher und elastischer Form in z.b. in Sportschuhen eingearbeitet, hingegen er in harter und spröder aufgeschäumter Form als Dämmmaterial z.b. beim Einsetzen von Fenstern dient. Aber nicht nur die Form dieses Kunststoffes kann bestimmt werden, auch die Dichte lässt sich je nach Isocyanat und Polyol (Moleküle, welche über Hydroxylgruppen verfügen) verändern. Die Ursache für diese unterschiedlichen Eigenschaften liegt in der Kettenlänge und der Anzahl der Verzweigungen im Polyol begründet. Zudem variiert die Dichte durch das Hinzufügen von Wasser, bei welchen das Isocyanat-Polyol-Gemisch durch die Bildung von Kohlenstoffdioxid-Gas aufschäumt und somit Polyurethanschaum entsteht. Mit diesen unterschiedlichen Eigenschaften ist es somit möglich, den Kunststoff Polyurethan in verschiedenster Art und Weise zu verwenden. So wird dieser in Matratzen, Fußböden, Lacken, Klebstoffen, Autositzen, Schuhsohlen und sogar bei latexfreien Kondomen u.a. eingesetzt. Methodisch-didaktische Analyse Einordnung in den Lehrplan Polyurethan bietet sich nach dem hessischen Lehrplan in der Klassenstufe 11 im Grundsowie im Leistungskurs zum Thema Kunststoffe an. Zudem kann die Herstellung dieses Kunststoffes und dessen Darstellung mit den anderen Darstellungsmethoden anderer Kunststoffe (Polykondensation, Polymerisation) verglichen werden. Aufwand Der Versuch ist schnell durchführbar. In der Vorbereitung müssen lediglich die Chemikalien besorgt und abgewogen werden. Die Durchführung an sich dauert aufgrund des Erwärmens und dem anschließendem langsamen Reagieren maximal 5 Minuten. Eine Nachbereitungsphase gibt es nicht. Das Endprodukt kann in der Feststofftonne entsorgt werden. Durchführung Laut HessGiss sind die Chemikalien für die Schülerinnen und Schüler nicht gefährlich. Somit können sie den Versuch selbstständig durchführen. Nur ist es fraglich, ob dies auch notwendig ist. Lieber sollte der Versuch vom Lehrer den Schülerinnen und Schülern vorgeführt werden. 28

30 Das Aufschäumen ist sehr gut erkennbar (auch von der letzten Bankreihe). Anstelle von einem Becherglas sollte ein Plastikbecher genommen werden, da der gehärtete Schaum sich sehr schlecht von der Glaswand entfernen lässt. 6. Verwendung Wie Sie bereits aus den Darstellungsmöglichkeiten im Kapitel 5 sicher erfahren haben, werden Kunststoffe für die verschiedensten Zwecke vielseitig eingesetzt. Ob in der Automobilindustrie als Sitzpolster und Bremsrücklichter, im Haushalt und in der Lebensmittelindustrie als Verpackungsmaterial oder in der Bauindustrie als Montagschaum, Kunststoffe begegnen uns fast überall im Leben, auch wenn wir sie oft nur unbewusst wahrnehmen. Die nachfolgende Mindmap soll noch einmal einen kleinen Überblick über die unterschiedlichsten Verwendungszwecke geben (Abb ). Im nachfolgenden Versuch wird mittels eines Kunststoffes erprobt einen Leim herzustellen, welcher zwei Materialien, in diesem speziellen Fall sind es zwei Papierstreifen, fest zusammenhalten soll. 29

31 Demonstrationsversuch 2: Leim aus Quarkbecher Gesamtgleichung: keine Chemikalien: Chemikalien: Gefahrensymbole R-Sätze S-Sätze Menge Verwendbar nach HessGiss Polystyrol (PS (s) ) g SI Toluol (C 7 H 8(l) ) F, Xn / (2)- 36/ ml SI Geräte: - 50 ml Becherglas - Glasstab - Schere - Tonpapier - Pinsel Versuchsaufbau: Pinsel Quarkbecher Glasstab Becherglas Kunststoffschnipsel Tonpapierstreifen Abb. 21: Versuchsaufbau - Leim aus Quarkbecher (Quelle: eigenes Foto) Versuchsdurchführung: Zu Beginn des Versuches wird ein Quarkbecher aus Polystyrol (PS) in so kleine Schnipsel geschnitten, dass diese in ein 50 ml Becherglas passen. In diesem wurden zu den Schnipseln etwa 10 ml Toluol gegeben und mit einem Glasstab gerührt. Als Klebeprobe wurden zwei Tonpapierstreifen miteinander verklebt. Beobachtung: Nachdem die Schnipsel in Toluol gegeben wurden, lösten sich diese langsam auf. Zudem war eine eindeutige Viskositätszunahme zu erkennen. Das vorher farblose Toluol nahm die weiße Farbe des Quarkbechers an. Nachdem nun der Klebstoff zwischen den beiden 30

32 Tonpapierstreifen ausgehärtet war, klebten diese beiden fest miteinander (Abb. 21; siehe unten links). Entsorgung: Übrig gebliebener Kleber konnte in die Feststofftonne entsorgt werden. Auswertung und theoretischer Hintergrund: Das in diesem Versuch verwendete Lösungsmittel war Toluol, welches unpolar ist. Somit besitzt er die Eigenschaft andere unpolare Stoffe zu lösen. In diesem Fall ist es der Quarkbecher, welcher aus unpolarem Polystyrol besteht. Aus dem Grundsatz Gleiches löst sich in Gleichem geht hervor, dass sich das unpolare Polystyrol in dem unpolaren Lösungsmittel Toluol löst. Je nachdem nun, wie viel Polystyrol in eine bestimmte Menge an Lösungsmittel zum Lösen gegeben wird, bewirkt der zu lösende Stoff eine Viskositätszunahme. Wird nun dieser Leim zum Kleben auf ein Stück Papier gegeben, so verdunstet das Lösungsmittel nach einer gewissen Zeit und der Leim härtet aus. Im festen Zustand hält er somit die zwei miteinander verklebten Papierstücke zusammen. Weitere Verwendungsmöglichkeiten von Kunststoffen werden in den jeweiligen Darstellungen sowie in Punkt 6 beschrieben. Methodisch-didaktische Analyse Einordung in den Lehrplan Zum einem kann der Versuch in der Klassenstufe 11 zu Thema synthetische Makromoleküle vorgestellt werden. Zum anderen bietet sich dieser fakultativ zum Thema Polymere mit besonderen Eigenschaften und dessen Verwendung als Klebstoff an. Auch können allgemeine wichtige Informationen zum Aufbau und der Darstellung von Makromolekülen anhand des Polystyrols erläutert werden. Aufwand Der Versuch Leim aus Quarkbecher ist in circa 5 Minuten durchführbar. In der Vorbereitung müssen lediglich die Geräte und die Chemikalie Toluol besorgt werden. Zudem geht das Schneiden der Schnipsel recht flott, sodass anschließend mit der eigentlichen Durchführung angefangen werden kann. Je nachdem wie viskos man den Leim haben möchte, dauert das Lösen der Polystyrolschnipsel mehr oder weniger Zeit. Hat man keinen 31

33 Quarkbecher gerade zur Hand, können auch andere Verpackungen aus Polystyrol verwendet werden. Durchführung Sowohl vom Lehrer als auch von den Schülerinnen und Schülern ist dieser Versuch durchführbar. Jedoch sollten der Lehrer die Klassenmitglieder in Gruppen selber experimentieren lassen. Das eigenständige Durchführen eines Versuchs übt das Experimentieren und die erzielten Ergebnisse bleiben so länger in den Köpfen der Schülerinnen und Schüler. Zudem werden für diesen Versuch alltägliche Verpackungen aus dem Kunststoff Polystyrol verwendet, was wiederum sehr praxisnah ist. Als kleine Hausaufgabe können ja die Schülerinnen und Schüler selber zu Hause nach Verpackungsmaterialen aus Kunststoffen suchen und zum Unterricht für diesen Versuch mitbringen. So beschäftigen sie sich nicht nur im Unterricht mit der Thematik, sondern setzen sich auch in der Freizeit damit auseinander. 7. Kunststoffrecycling Viele alltägliche Lebensmittel- und Haushaltsverpackungen, welche wir in der Hand halten, bestehen aus Kunststoffen. So werden beispielsweise Trinkflaschen aus Polyethylenterephthalat (PET), Shampoobehälter aus Polyprophylen (PP) oder Gefrierbeutel aus Polyethylen (PE) hergestellt. Werden die leeren Verpackungen weggeschmissen, sortieren und sammeln wir diese im Gelben Sack, sodass diese dann recycelt und später wiederverwendet werden können. Aber nicht jede Kunststoffart wird auf den ein und demselben Weg verwertet. Je nach Art und Mischung des Kunststoffes teilt sich nach der Sortierung der Recyclingweg. Man unterscheidet die energetische, die werkstoffliche und die rohstoffliche Verwertung. 32

34 7.1 Energetische Verwertung Kunststoffe, welche energetisch verwertet werden, durchlaufen folgenden Prozess (Abb. 22). Bei der energetischen Verwertung werden solche Kunststoffe recycelt, welche aus vermischten, schlecht zu trennenden Kunststoffmischungen bestehen. Aber auch vor allem Kunststoffgegenstände im medizinischen Bereich eignen sich aufgrund des infektiösen Verpackungsabfalls besonders hierfür. Dabei wird die in den Kunststoffen durch Verbrennung erhaltene Energie in der Industrie und Kraftwerken für die Erzeugung von Strom, Fernwärme oder als Prozessenergie genutzt. Sinn dieses Verfahrens ist es die schlummernde Energie in den Kunststoffen auszunutzen und somit fossile Brennstoffe zu ersetzen. 7.2 Werkstoffliche Verwertung Neben der energetischen Recyclingmethode gibt es auch die werkstoffliche Verwertung, bei welcher aus gebrauchten Kunststoffverpackungen wieder neue Kunststoffprodukte hergestellt werden (Abb. 23). Dabei werden zu Beginn die Kunststoffverpackungen von Störstoffen wie beispielsweise Metallpartikeln befreit, zerkleinert und gewaschen. Aus diesen Kunststoffschnipseln werden in einem weiteren Schritt letzte Fremd- Kunststoffe mittels Dichtetrennung voneinander getrennt. (Dieser Vorgang entspricht der Durchführung aus dem Demonstrationsversuch 1.) Abb. 22: Energetische Verwertung (Quelle: Schreiter 2010; syxnopte_.0.html) Abb. 23: Werkstoffliche Verwertung (Quelle: Schreiter 2010; /Kunststoffe.58%2BB6Jkw9MCZub0ZsYXNoPTE_.0.html) 33

35 Anschließend werden nun die aufbereiteten Kunststoffe mittels eines Extruders zu Regranulat umgeschmolzen und in der Kunststoffverarbeitung zu Getränkekästen, Folien etc. verarbeitet. Im kleinen Maßstab wird diese Verwertungsmethode im Demonstrationsversuch 3 simuliert. Demonstrationsversuch 3: Verformbarkeit eines Thermoplasts Gesamtgleichung: Chemikalien: Chemikalien: Gefahrensymbole R-Sätze S-Sätze Menge Verwendbar nach HessGiss Polypropylen (PP (s) ) g SI Silikonöl Geräte: - Magnetrührer - Heißluftfön - Form mit Stempel - Stativmaterial - Pinsel - 50 ml Becherglas - Schere ml Becherglas - Hammer, Schraubenzieher - Wärmehandschuhe Versuchsaufbau: Heißluftfön Form und Stempel Magnetrührer Abb. 24: Versuchsaufbau - Verformbarkeit eines Thermoplasts (Quelle: Schreiter 2010; syxnopte_.0.html) Versuchsdurchführung: Zu Beginn wurde ein Margarinebehälter, welcher aus Polypropylen besteht, in kleine Schnipsel geschnitten (Man benötigt in etwa 7 g von diesen.). Danach wurden die Form sowie 34

36 der Stempel unter Verwendung eines Pinsels mit Silikonöl eingefettet und auf den Magnetrührer gestellt. In die Form gab man nun die Kunststoffschnipsel und stellte zugleich die Heizplatte des Rührers an. Nun wurde solange gewartet, bis der Kunststoff anfing zu schmelzen. Damit die gesamte Kunststoffmasse gleichmäßig erhitzt wurde, stellte man zusätzlich noch den Heißluftfön an, welcher für die Erhitzung an der Oberfläche der Form sorgte. Waren nun die Kunststoffschnipsel geschmolzen und bildeten eine zähflüssige Masse, wurde die Form vom Magnetrührer gestellt und der Stempel in diese hineingedrückt. Damit die Masse zeitig erstarrte und abkühlte, gab man die Form vorsichtig in ein Eis befülltes Becherglas. Zum Schluss musste nur noch der Stempel von der Form gelöst werden. Beobachtung: Nachdem die Schnipsel in die Form gegeben und diese mit Hilfe der Heizplatte des Magnetrührers sowie dem Heißluftfön erhitzt wurden, schmolzen diese zu einer zähflüssigen Masse zusammen. Der Stempel ließ sich problemlos in die Form drücken. Überschüssiger Kunststoff quoll aus der Form heraus. Nachdem die Form zusammen mit dem Stempel abgekühlt war, benötigte man viel Kraft um den Stempel von der Form zu lösen. Abb zeigen noch einmal die einzelnen Schritte der Versuchsdurchführung, deren Beobachtung sowie das Ergebnis dieses Versuches, nämlich die Verformung eines Kunststoffbehälters. 35

37 Abb : Versuchsdurchführung (Quelle: eigene Fotos) Auswertung und theoretischer Hintergrund: Der in diesem Versuch verwendete Margarinebehälter besteht aus dem Kunststoff Polypropylen (PP). Dieser zählt zur Kunststoffklasse der Thermoplaste, welche sich bei Erhitzen verformen lassen. Genauer besteht dieser aus linearen oder wenig verzweigten Makromolekülen, welche untereinander durch Van-der-Waals-Kräfte und/oder Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden sind. Wird nun der Thermoplast erhitzt, beginnen sich die einzelnen Molekülketten aufgrund ihrer wenig festen bzw. schwachen Bindungen gegeneinander zu verschieben, sodass der Kunststoff verformt wird. Beim Abkühlen erstarrt dieser und eine neue Kunststoffform ist entstanden. Methodisch-didaktische Analyse Einordung in den Lehrplan In der Klassenstufe 11 wird sowohl im Grund- wie auch im Leistungskurs das Thema Synthetische Makromoleküle verpflichtend unterrichtet (Hessischer Lehrplan (G8)). Unter anderem lautet ein Thema dort Zusammenhänge zwischen Struktur und Eigenschaften, wo sich dieser Versuch besonders anbietet. Zudem ist dieser nochmals in der Klassenstufe 12 zum Wahlthema Werkstoffe - Natürliche und synthetische Makromoleküle durchführbar. Aufwand Dieser Versuch ist ein wenig zeitintensiv, jedoch innerhalb einer Unterrichtstunde durchführbar. Der Aufbau ist innerhalb weniger Minuten geschafft. Die Durchführung an sich richtet sich nach der zugegebenen Menge an Kunststoffschnipseln und sowie der 36

38 Wärmeleistung des Magnetrührers. Die Nachbereitungszeit erübrigt sich. Lediglich muss die Apparatur wieder abgebaut werden. Der Kunststoffbehälter aus Polypropylen (PP) kann von zu Hause mitgebracht werden. Eventuell liegt im Bestand der Schule kein Heißluftfön vor, sodass er privat besorgt werden muss. Durchführung Dieser Versuch ist sowohl vom Lehrer als auch von den Schülerinnen und Schülern durchführbar. Aufgrund dessen, dass nicht jedem/r Schüler/in eine Form mit Stempel sowie ein Heißluftfön zur Verfügung steht, bietet sich der Versuch nur für den Lehrer an. Damit im Unterricht schneller mit der Durchführung des Versuchs begonnen werden kann, sollte die Apparatur im Vorhinein aufgebaut und die Kunststoffschnipsel zurecht geschnitten werden. Da die Form sowie der Stempel sehr heiß werden, müssen Wärmeschutzhandschuhe getragen werden. Zusätzlich muss man sich als Lehrer auch die Frage stellen, wie viel Zeit noch übrig bleibt um die neue Kunststoffform aus der Form herauszubekommen. Deswegen könnte man eventuell die fertige neue Form aus einem früheren Versuch bereits zeigen und die aus dieser Durchführung in der nächsten Stunde. Denn das Lösen des Stempels von der Form benötigt Kraft und ein wenig Geduld des Ausübenden. Zum muss die Form dann auch nicht mittels eines Eisbades sofort, sondern kann über Nacht langsam abkühlen. 7.3 Rohstoffliche Verwertung Eine weitere Recyclingmöglichkeit stellt die rohstoffliche Verwertung dar, bei der schwer zu trennende Kunststoffmischungen als Reduktionsmittel für die Roheisengewinnung eingesetzt werden. In den nachfolgendem Versuch (Rohstoffliche Nutzung durch die Reduktion von Metalloxiden) soll dieser Recyclingweg praktisch nachvollzogen werden. Versuch 5: Rohstoffliche Nutzung von Metalloxiden Gesamtgleichung: 2 C n H m(s) + n O 2(g) 2 n CO (g) + m H 2(g) Fe 2 O 3(s) + 3 CO (g) Fe 2 O 3(s) + 3 H 2(g) 2 Fe (l) + 3 CO 2(g) 2 Fe (l) + 3 H 2 O (g) 37

39 Chemikalien: Chemikalien: Gefahrensymbole R-Sätze S-Sätze Menge Verwendbar nach HessGiss Eisen(III)-oxid SI (Fe 2 O 3(s) ) gehäuft e Spatel Polyethylen (PE (s) ) SI Geräte: - Reagenzglas - Reagenzglashalter - Becherglas (250 ml) - Spatel - Bunsenbrenner mit Schlauch - Schere Versuchsaufbau: Reagenzglas Bunsenbrenner Becherglas Abb. 29: Versuchsdurchführung Versuchsdurchführung: Zu allererst wurden aus einer Kunststoffverpackung so kleine Schnipsel geschnitten, dass diese in die Öffnung des Reagenzglases passten. War dieses mit etwa mit der Hälfte an Kunststoffschnipseln gefüllt, wurden nun noch 2 gehäufte Spatel Eisen(III)-oxid (Fe 2 O 3(s) ) hinzugegeben. Diese Mischung wurde nun in der Bunsenbrennerflamme so lange erhitzt, bis erste Veränderungen dieser wahrgenommen wurden. Getestet wurde vor Beginn das Metalloxid nach dem Abkühlen das Produkt auf Magnetismus. Beobachtung: Beim Erhitzen der Kunststoffschnipsel zusammen mit dem Eisen(III)-oxid schmolz der Kunststoff und vermischte sich mit dem Metalloxid. Nach einminütigem Erhitzen siedete 38

40 diese Mischung und ein weißer Rauch entstand, welcher aus der Öffnung des Reagenzglases entwich. Zudem färbte sich in demselben Moment das rotebraune Eisenoxid schwarz (Abb. 30). Der vorher durchführte Test des Metalloxides auf Magnetismus fiel negativ aus. Hingegen wurde das Produkt nach dem Abkühlen von den Magneten angezogen (Abb. 31). Abb. 30 und 31: links: Erhitzen der Kunststoff-Eisenoxidmischung; rechts: magnetisches Eisen (Quelle: eigene Fotos) Auswertung: Das in diesem Versuch eingesetzte Metalloxid war Eisen(III)-oxid (Fe 2 O 3(s) ). Dies ist unmagnetisch, d.h. es wird von einem Magneten nicht angezogen. Nachdem nun der Kunststoff mit dem Eisen(III)-oxid (Fe 2 O 3(s) ) in der Bunsenbrennerflamme erhitzt wurde, schmolz der Kunststoff und begann zu sieden, da es sich bei dem Kunststoff Polyethylen (PE) um einen Thermoplasten handelt. Weshalb dieser schmilz und sich dabei verformen lässt, wird im Kapitel 4 erläutert. Beim Sieden spalten sich nun die Moleküle dieses Polymers und die Gase Wasserstoff (H 2(g) ) und, in Anwesenheit mit Sauerstoff (O 2)g) ), Kohlenstoffmonoxid (CO (g) ) C n H m(s) + n O 2(g) 2 n CO (g) + m H 2(g) Die beiden Gase als Reduktionsmittel reduzieren während des Erhitzens das Eisen(III)-oxid (Fe 2 O 3(s) ) zu metallischem Eisen (Fe (s) ) (Oxidationszahl sinkt). Sie selbst werden zu Kohlenstoffdioxid (CO 2(g) ) und Wasser (H 2 O (aq) ) oxidiert (Oxidationszahlen steigen). Fe 2 O 3(s) + 3 CO (g) Fe 2 O 3(s) + 3 H 2(g) Fe (l) + 3 CO 2(g) Fe (l) + 3 H 2 O (g) 39

41 Theoretischer Hintergrund: Dieser Versuch veranschaulicht die rohstoffliche Verwertung eines Kunststoffes auf einfache Art und Weise. Bei dieser Recyclingmethode werden die Kunststoffe in ihre gasförmigen Ausgangsbestandteile zurückgeführt, welche beispielsweise als Ersatz von Schweröl im Hochofen zum Einsatz kommen und zur Roheisengewinnung genutzt werden (Abb. 32). Bei dieser möglichen Verwertungsmethode kommen vor allem solche Kunststoffmischungen zum Einsatz, welche sich nur unter großem Aufwand trennen lassen würden. Im ersten Schritt werden hier- bei die Kunststoffmischungen zerkleinert, durch Reibungswärme kompaktiert und schließlich zu Agglomerat veredelt. Dieses wird nun beispielsweise in der Stahlindustrie als Reduktionsmittel für die Gewinnung von Roheisen genutzt. Abb. 32: Rohstoffliche Verwertung (Quelle: Schreiter 2010; punkt.de/kunststoffe.58%2bb6jkw9mczub 0ZsYXNoPTE_.0.html) Methodisch-didaktische Analyse Einordung in den Lehrplan In der Klassenstufe 11 wird sowohl im Grund- wie auch Leistungskurs das Thema Synthetische Makromoleküle verpflichtend unterrichtet (Hessischer Lehrplan (G8)) und das Recycling von Kunststoffabfällen behandelt. Zudem bietet sich dieser Versuch nochmals in der Klassenstufe 12 zum Wahlthema Werkstoffe - Natürliche und synthetische Makromoleküle in der Durchführung an. Aufwand Dieser Versuch ist in der Vorbereitung, Durchführung und Nachbereitung nicht zeitaufwendig. Durchführung In der Vorbereitung müssen lediglich die wenigen Geräte und das Eisen(III)-oxid besorgt werden. Um die Kosten möglichst geringfügig zu halten, empfiehlt es sich Polyethylen (PE) aus nicht mehr gebrauchten Kunststoffverpackungen aus dem eigenen Haushalt und nicht 40