Ein Kunststoff aus Zitronensäure!

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1 V13 Ein Kunststoff aus Zitronensäure! Fach Klasse Überthema Feinthema Zeit hemie Q2 Synthetische Makromoleküle atürliche Kunststoffe 25 Minuten Zusammenfassung Aus Zitronensäure wird ein Kunststoff hergestellt, indem sie durch Erhitzen auf dem erd in einer Veresterung mit sich selbst reagiert. Einordnung in den Unterricht 1 Der Versuch kann in der Qualifikationsphase Q2 zum verbindlichen Unterrichtsinhalt 2. Synthetische Makromoleküle durchgeführt werden. Dabei wird einer der eaktionstypen zur Verknüpfung von Monomeren zu Makromolekülen angeführt. Der Versuch kann durchgeführt werden, nachdem die chemischen Grundlagen zu den Kunststoffen besprochen worden sind. Die SuS sollten bereits gelernt haben, welche Klassen von Kunststoffen es gibt, welche eaktionsmechanismen zum Aufbau von Kunststoffen führen und welche Zusammenhänge zwischen Struktur und Eigenschaften herrschen. Durch den Versuch wird dann gezeigt, dass die Möglichkeit besteht, Kunststoffe aus Substanzen aufzubauen, die nicht zu Umweltproblemen führen. Die Aspekte der Umweltgefährdung durch die erstellung, Verarbeitung und schwierige Beseitigung von Kunststoffen sollen in diesem Abschnitt des Unterrichts angesprochen werden. Ebenso können an den Versuch anschließend biologisch abbaubare Kunststoffe vorgestellt werden und ein Ausblick auf die Möglichkeiten in der Kunststoffindustrie gegeben werden. 1 Vgl. irt, A.: Lehrplan hemie (2010).

2 Der Versuch Die Durchführung Abbildung 1: Der Versuchsaufbau. Wenn in der Küche eine Dunstabzugshaube vorhanden ist, wird diese eingeschaltet. Dann wird ein Stück Backpapier abgeschnitten und auf eine der unbenutzten erdplatten bereitgelegt. Daneben wird noch ein Teelichtförmchen gestellt. Anschließend wird eine ausgewaschene Konservendose, an welcher der Deckel noch befestigt ist, ca. 2 cm hoch mit Zitronensäure befüllt und auf eine erdplatte gestellt. un wird langsam auf der untersten Stufe erhitzt und ständig mit einem Löffel umgerührt. Mit einem Topflappen kann dabei die Dose am überlappenden Deckel festgehalten werden. Schäumt die Zitronensäure auf, wird kräftig weitergerührt. Die Zitronensäure wird so lange erhitzt, bis sie bernsteinfarben erscheint und eine zähflüssige Konsistenz aufweist. Dieses Produkt wird nun in das Teelichtförmchen gefüllt und der est auf das Backpapier geschüttet. Das erhaltene Produkt wird zur nächsten hemiestunde mitgebracht. Die Beobachtung ach kurzer Zeit beginnt die Zitronensäure heftig zu schäumen. Zudem ist ein stechender Geruch wahrnehmbar. Wird weiter abgewartet bildet sich der Schaum langsam zurück. Zudem verfärbt sich die Zitonensäure goldgelb und beim ühren ist eine honigartige Qualität festzustellen. Das Abbildung 2: Aufschäumen der Zitronensäure beim Erhitzen auf der erdplatte.

3 Entstehende Produkt ist zunächst zähflüssig und kann in eine Teelichtform gegossen werden. Mithilfe eines Strohhalms können Fäden gezogen werden. Abbildung 3: Links: In ein Teelicht gegossenes Produkt. Mitte: Zähflüssiges Produkt. echts: Gegossenes Produkt, nachdem es abgekühlt ist. achdem der Kunststoff abgekühlt ist, kann er vom Backpapier abgelöst werden und in die and genommen werden. Er ist zwar noch biegsam und etwas klebrig, es können jedoch keine Fäden mehr gezogen werden. Entsorgung Der Kunststoff kann in den Bio- oder in den aushaltsmüll entsorgt werden. Fachlicher intergrund Informiere dich kurz über die Zitronensäure: Wo kommt sie vor und wie wird sie hergestellt? Die Zitronensäure gehört zu den natürlich vorkommenden arbonsäuren. Im Zitronensäurezyklus, einem zellulären Stoffwechselprozess, spielt sie eine wichtige olle als Zwischenprodukt. Dabei werden infolge chemischer Umwandlungen Abbauprodukte von Kohlenhydraten, Fetten und Aminosäuren endoxidiert. 2 So wird im menschlichen Körper täglich eine Menge von bis zu 1,5 kg Zitronensäure als Intermediärprodukt gebildet. 3 2 Vgl. Bruice, P.Y., Lazar, T.: rganische hemie. S Vgl. Schmid,.: Taschenbuch der Biotechnologie und Gentechnik. S

4 atürlich kommt sie in Zitrusfrüchten vor, wobei die Konzentration am höchsten in der Zitrone (3,5-7 % 4 ) ist, direkt gefolgt von der Grapefruit, woran sich die Konzentration in der range anschließt. 5 In der Lebensmittelindustrie wird die Zitronensäure, ähnlich wie auch die Essigsäure, als Säuerungs- und Konservierungsmittel verwendet. 6 Sie ist in Lebensmitteln als Zusatzstoff E330 enthalten. Industriell wird die Zitronensäure mithilfe des Schimmelpilzes Aspergillus niger durch Feststoff-Fermentation gewonnen. Dazu werden Blechwannen, die säurebeständig sind, mit Zuckerlösung beschichtet, anschließend mit Aspergillus niger Sporen angeimpft und belüftet. Innerhalb von 5 Tagen entsteht so ein Pilzmycel, welches die Zitronensäure enthält. Aus diesem Mycel wird durch Auswaschen mit heißem Wasser die Zitronensäure gewonnen. Dabei können 50 g Zitronensäure aus einem Kilogramm Zucker hergestellt werden. In modernen Anlagen wird die Zitronensäure in sogenannten ühr- oder Turmfermentern aus Edelstahl produziert. Die Ausbeuten liegen bei ca. 80 % Zitronensäure in Bezug auf die eingesetzte Glucose. 7 Der Zitronensäurekunststoff gehört zu der Gruppe der Polyester. Allerdings besitzt dieser Kunststoff eine eher geringe Bedeutung im wirtschaftlichen Sinne, da er stark wasserlöslich ist. Was ist Zitronensäure chemisch gesehen? Wie ist sie aufgebaut? Die Zitronensäure ist ein farbloser, geruchloser, kristalliner Feststoff. 8 Sie zählt als Fruchtsäure zu den arbonsäuren. Ihr IUPA-ame lautet 2-ydroxypropan-1,2,3- tricarbonsäure, woraus sich folgende Struktur ergibt: 4 Vgl. Gasper,. et al.: hemie in Lebensmitteln. S Vgl. Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung: IFA Gestis Stoffdatenbank. Zitronensäure IDETIFIKATI. UL: Letzter Zugriff am: Vgl. Schmid,.: Taschenbuch der Biotechnologie und Gentechnik. S Vgl. ebd. 8 Vgl. Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung: Zitronensäure- IDETIFIKATI. In: Gestis Stoffdatenbank. UL: Letzter Zugriff am:

5 Zitronensäure Mit drei arboxy-gruppen und einer ydroxy-gruppe ist Zitronensäure gut in Wasser löslich. Ihre sauren Eigenschaften sind auf die arboxy-gruppen zurückzuführen, sodass eine 1 %ige wässrige Lösung von Zitronensäure einen p-wert von ca. 2,2 besitzt. Überdies kann sie dadurch gut ein- oder zweiwertige Kationen komplexieren. 9 Welche funktionellen Gruppen der Zitronensäure reagieren bei dem Versuch miteinander? Um was für eine eaktion handelt es sich demnach? Wie sieht der Mechanismus dazu aus? Bei Betrachtung des Ausgangstoffes Zitronensäure wird deutlich, dass diese sowohl eine ydroxy- als auch arboxy-gruppen aufweist und somit in der Lage ist, mit sich selbst zu reagieren. Bei dieser eaktion handelt es sich um eine Veresterung. Ester entstehen bei der eaktion eines Alkohols mit einer arbonsäure, also einer ydroxy-gruppe mit einer arboxy-gruppe. 2 arbonsäure Alkohol Ester Im ersten Schritt erfolgt die Protonierung am arboxysauerstoffatom der Zitronensäure, sodass ein arbokation entsteht. Das Proton stammt aus der sauren Schmelze von einem anderen Zitronensäuremolekül. 9 Vgl. Schmid,.: Taschenbuch der Biotechnologie und Gentechnik. S

6 - arbonsäure arbokation (Zitronensäure) Die anfängliche Protonierung erleichtert nun den nucleophilen Angriff des ydroxysauerstoffatoms eines anderen Zitronensäuremoleküls am positiv polarisierten Kohlenstoffatom der arboxy-gruppe. itronensäure itronensäure Tetraedrisches Intermediat Durch die anschließende Umprotonierung entsteht Wasser als gute Abgangsgruppe. arbokation

7 Im letzten Schritt wird durch Deprotonierung der Katalysator zurückgewonnen Zitronensäureester Dieses aus zwei Zitronensäuremonomeren entstandene Dimer kann nun durch erneute eaktion mit einem weiteren Zitronensäuremonomer zu einem Trimer reagieren. Zitronensäuremonomer Zitronensäuredimer Zitronensäuretrimer Diese kann dann erneut reagieren, sodass eine lange Kette ein sogenanntes Polymer entsteht. 10 Vgl. Vollhardt, K.P.., Schore,.E.: rganische hemie. S. 991.

8 weitere Poly merisation n Polycitrat (Polymer) Da jedes Molekül Zitronensäure über weitere arboxy-gruppen verfügt, können auch an diesen Polymerisationen stattfinden, sodass nicht nur eine lange lineare Kette entsteht, sondern eher eine netzartige Struktur. 5 Zitronensäure Mechanismus wie zuvor 4 netzartige Veresterung des Zitronensäurekunststoffs Die este deuten an, dass an diesen Stellen die Struktur weitergeht. Es bildet sich demnach eine dichte Vernetzung der Moleküle untereinander. Durch diese Vernetzungen nimmt die Viskosität des Esters zu, bis er schließlich ganz aushärtet, was zur Festigkeit des Kunststoffes führt. Durch das Erhitzen und das damit verbundene Verdunsten von Wasser wird das Gleichgewicht der eaktion noch zusätzlich auf die Seite des Produktes hin verschoben. Das Produkt einer solchen eaktion, bei der ein mehrwertiger Alkohol mit einer mehrwertigen arbonsäure reagiert wird als Polyester

9 und in diesem Fall als Polycitrat bezeichnet. 11 Bei der Veresterung handelt es sich um eine Polykondensation, da zwei funktionelle Gruppen unter Abspaltung eines kleineren Moleküls, in diesem Fall Wasser, miteinander reagieren und so ein größeres Makromolekül bilden. 12 Die eaktion in der Übersicht: 1 n (n-1) 2 n itronensäure Polycitrat (Polymer) Erkläre kurz die drei wichtigen eaktionsprinzipien Polymerisation, Polykondensation und Polyaddition, die bei der Kunststoffherstellung eine olle spielen und nenne jeweils ein Beispiel! Polymerisation Bei der Polymerisation reagieren in einer Kettenreaktion Monomere miteinander, die eine Doppelbindung enthalten. Dabei werden lange Molekülketten gebildet. Je nachdem, wie die Polymerisation erfolgt, wird zwischen radikalischer, anionischer und kationischer Polymerisation unterschieden. Der Mechanismus, bei dem weder Umlagerungen noch Abspaltungen von Molekülbestandteilen stattfinden, ist jedoch im Wesentlichen bei allen drei Formen der Polymerisation der gleiche. Ein Beispiel für eine radikalische Polymerisation ist die Bildung von Plexiglas, bei dem es sich um Polymethylmethacrylat handelt. Ein allgemeiner, vereinfachter eaktionsmechanismus einer radikalischen Polymerisation sieht folgendermaßen aus. 11 Vgl. Seilnacht, T.: Polyester. In: Seilnachts Didaktik der aturwissenschaft. UL: Letzter Zugriff am: Vgl. Seilnacht, T.: Definitionen und Einteilung. In: Seilnachts Didaktik der aturwissenschaften. UL: Letzter Zugriff am:

10 Start: 2 Kette: Abbruch: 2 Polykondensation Bei diesem eaktionsprinzip reagieren zwei Monomere, die verschiedene funktionelle Gruppen besitzen. Da es sich um eine Kondensationsreaktion handelt, erfolgt sie unter Abspaltung eines kleinen Moleküls (2, l, etc.). Dabei entstehen zunächst Dimere. Durch eaktion des Dimers mit einem weiteren Monomer, wird ein Trimer gebildet. Es entsteht eine Kette, die durch weitere Kondensationsvorgänge beliebig verlängert werden kann. Als Beispiel für eine Polykondensation kann die Bildung von ylon, einem Polyamid, betrachtet werden: l arbonsäurechlorid Amin - l l Amid weitere Poly kondensation Auch die eaktion von Zitronensäure mit sich selbst stellt ein Beispiel für eine Polykondensation dar.

11 Polyaddition Bei der Polyaddition findet die Verknüpfung der Monomere über die endständigen Gruppen statt. Um zwei Monomere aneinander addieren zu können, muss mindestens eine Doppelbindung im Molekül enthalten sein. Bei der eaktion erfolgt ausschließlich eine Addition, es werden keine Gruppen abgespalten. Ein Beispiel eines solchen Kunststoffs ist PU-Schaum, der aus einem Diol und einem Diisocyanat hergestellt wird. 1 Diol Diisocyanat n