KUNSTSTOFFE. Chemieaufgabe zur Überprüfung von Kompetenzen

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1 KUNSTSTFFE Zu allen Zeiten haben sich die Menschen bemüht, neben den Stoffen, die ihnen die Natur bot, neue zu finden, die für ihre Zwecke geeignet waren. Vor etwa 120 Jahren begann die Geschichte der Kunststoffe und heute können wir uns unsere tägliche Umgebung ohne Kunststoffe überhaupt nicht mehr vorstellen: Haushaltsartikel, Raumausstattung, Toilettenartikel, Spielwaren, Büroartikel, Computer und Handys, Sportartikel...und ein modernes Auto ohne Kunststoffe? Sieh Dir die beiden Autos auf den Bildern einmal genauer an! Zwischen dem Ford Modell T (links) und dem modernen Kleinwagen (rechts) liegen etwa 90 Jahre. Der Ford T ähnelt noch sehr stark seinen direkten Vorgängern, den Pferdekutschen. Er wurde vor allem aus Metallen, Holz und Leder gebaut. Das moderne Auto besteht gewichtsmäßig zu etwa 15 Prozent aus Kunststoffen. Ca. 30% aller verbauten Teile bestehen aus Kunststoffen. 1. AUFGABE: Überlege! Welche Vorteile haben Kunststoffe gegenüber den früher verwendeten Materialien? Kreuze alle richtigen Aussagen an! Kunststoffe helfen Gewicht sparen, leichtere Autos brauchen weniger Kraftstoff. Kunststoffe sind hitzebeständiger als Metalle, Kunststoffmotoren vertragen höhere Temperaturen. Durch Kunststoffteile werden Autos sicherer. Kunststoffe sind korrosionsbeständiger als Metalle, es gibt kein Problem mit Rost. Sitzbezüge aus Kunststoffen sind preiswerter als solche aus Leder. Kunststoffteile können besser verschweißt werden als Teile aus Stahlblech. Kunststoffe sind schlechte Leiter für Wärme und elektrischen Strom, sie eignen sich hervorragend für Isolationszwecke. Mit Hilfe von Kunststoffen können Autos mit weniger Aufwand windschlüpfrig gestaltet werden. Sie brauchen dann weniger Kraftstoff. Die Autoteile aus Kunststoff verrotten schneller als Metallteile und können daher problemlos auf Mülldeponien entsorgt werden. Seite 1

2 Wie kommen die Kunststoffe zu ihren besonderen Eigenschaften? Jeder Kunststoff besteht aus Riesenmolekülen. Kunststoffe entstehen durch Umwandlung von Naturprodukten oder durch chemische Synthese aus Erdöl, Erdgas oder Kohle. Die Prinzipien der Herstellung haben die Chemiker/innen dabei der Natur abgeschaut: Kleine Moleküle (Monomere) werden zu Riesenmolekülen (Polymere) verkettet. So besteht zum Beispiel die Cellulose der Pflanzen aus kettenförmigen Riesenmolekülen. Die Kettenglieder sind Traubenzuckermoleküle. Sauerstoffatom Kohlenstoffatom Wasserstoffatom Drei Moleküle Traubenzucker C6H126 Ausschnitt aus einer Cellulose-Kette (gebildet aus drei Traubenzuckermolekülen ) Seite 2

3 2. AUFGABE: Bei dieser Art der Kettenbildung spricht man von Polykondensation, weil... (kreuze das Richtige an!)...die gebildete Cellulose bei Raumtemperatur sofort kondensiert....die Kettenbildung unter Abspaltung kleinerer Moleküle - wie z.b. Wasser - erfolgt....die Kettenbildung unter Aufnahme kleinerer Moleküle - wie z.b. Wasser - erfolgt....die Kettenbildung nur in wässriger Lösung funktioniert. Eine andere Form der Bildung kettenförmiger Riesenmoleküle ist die Polymerisation: Dazu ein Beispiel in Bildern: Das ist ein Ethen-Molekül zwischen den Kohlenstoffatomen ist eine Doppelbindung Hier siehst du drei Ethen-Moleküle Bei der Polymerisationsreaktion werden Bindungen geöffnet......und neue Bindungen entstehen. Das Ergebnis ist ein Polymer! Seite 3

4 Betrachte die Abbildung unten. Sie zeigt drei Beispiele von Polymerisationsreaktionen. 3. AUFGABE: Bei dieser Art der Kettenbildung spricht man von Polymerisation, weil...(kreuze das Richtige an!)... Einfachbindungen gelöst und in Doppelbindungen umgewandelt werden.... Doppelbindungen gelöst und in Einfachbindungen umgewandelt werden.... kleine Moleküle durch zusätzliche Kohlenstoffatome miteinander verbunden werden.... kleine Moleküle durch Hitze miteinander verschweißt werden.... die Kettenbildung unter Abspaltung kleinerer Moleküle - wie z.b. Wasser erfolgt. Seite 4

5 Aus flüssigem Styren entsteht festes Polystyren! Zwei Moleküle Styren Auch hier werden Bindungen geöffnet und neu gebildet AUFGABE: Betrachte die Abbildungen! Die beiden Styrenmoleküle werden durch Polymerisation Polykondensation Polyaddition miteinander verkettet. (Kreuze das Richtige an!) Seite 5

6 Kunststoffe werden in Gruppen unterteilt! Wir unterscheiden Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. Thermoplaste schmelzen bei Erwärmen und können dann leicht verformt werden. Sie behalten nach dem Erkalten diese neue Form bei (Abb. a) Duroplaste sind hart und schmelzen auch bei starker Erwärmung nicht. Einmal in Form gebracht, können sie nicht mehr weiter verformt werden. Bei Normaltemperatur sind sie hart und spröde. Elastomere sind in einem weiten Temperaturbereich sehr elastisch. Sie nehmen immer wieder ihre ursprüngliche Form an. Diese unterschiedlichen Eigenschaften hängen natürlich mit der unterschiedlichen Struktur der kettenförmigen Riesenmoleküle zusammen! Seite 6

7 5. AUFGABE : Alltagsprodukte verlangen nach ganz speziellen Eigenschaften des Werkstoffes, aus dem sie gemacht sind. Nicht jeder Kunststoff eignet sich für jeden Zweck. In der Tabelle unten findest du eine Auflistung der derzeit wichtigsten Kunststoffe. Ziehe mit der Maus die Alltagsprodukte in den Kästchen unterhalb der Tabelle in das jeweils richtige leere Feld neben den Kunststoffgruppen Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere KUNSTSTFF VERWENDUNG PE Polyethen Thermoplaste PP Polypropen PS Polystyren PVC Polyvinylchlorid PA Polyamid PMMA Polymethylmethacrylat Duroplaste MF Melamin-Formaldehyd- Harz (Phenoplaste) Elastomere UF Aminoplaste PUR Polyurethan Vulkanisierter Kautschuk (Gummi) Schreibe die Begriffe in die Kästchen Verwendung!: Joghurtbecher, Babyschnuller, Kochlöffel, elektrisches Isoliermaterial, Abflussrohre), Plastikbeutel, Eierbecher, Matratzen, Gummistiefel Seite 7

8 Quellen: FV der Chemischen Industrie Österreichs (1990): Kunststoffe -Werkstoffe unserer Zeit, 2. Auflage. Arbeitsgemeinschaft Dt. Kunststoffindustrie, Frankfurt/Main. Hausen, J.; elkers, W. (1971). Kunststoffe. Hamburg: A.W. Gentner Verlag Seite 8

9 KUNSTSTFFE Lösungen 1. AUFGABE: Überlege! Welche Vorteile haben Kunststoffe gegenüber den früher verwendeten Materialien? Kreuze alle richtigen Aussagen an! x x x x x x Kunststoffe helfen Gewicht sparen, leichtere Autos brauchen weniger Kraftstoff. Kunststoffe sind hitzebeständiger als Metalle, Kunststoffmotoren vertragen höhere Temperaturen. Durch Kunststoffteile werden Autos sicherer. Kunststoffe sind korrosionsbeständiger als Metalle, es gibt kein Problem mit Rost. Sitzbezüge aus Kunststoffen sind preiswerter als solche aus Leder. Kunststoffteile können besser verschweißt werden als Teile aus Stahlblech. Kunststoffe sind schlechte Leiter für Wärme und elektrischen Strom, sie eignen sich hervorragend für Isolationszwecke. Mit Hilfe von Kunststoffen können Autos mit weniger Aufwand windschlüpfrig gestaltet werden. Sie brauchen dann weniger Kraftstoff. Die Autoteile aus Kunststoff verrotten schneller als Metallteile und können daher problemlos auf Mülldeponien entsorgt werden. Inhaltsdimension: C4.5 C 4.5 Ich kann chemische Grundkenntnisse auf praxisrelevante Gebiete wie Kleidung, Wohnen, Energiequellen und Energieversorgung, Verkehr und neue Technologien anwenden. Handlungsdimension: S1 / S4 N2 Seite 9

10 Sauerstoffatom Kohlenstoffatom Wasserstoffatom Drei Moleküle Traubenzucker C6H126 Ausschnitt aus einer Cellulose-Kette (gebildet aus drei Traubenzuckermolekülen ) 2. AUFGABE: Bei dieser Art der Kettenbildung spricht man von Polykondensation, weil... (kreuze das Richtige an!)...die gebildete Cellulose bei Raumtemperatur sofort kondensiert. x...die Kettenbildung unter Abspaltung kleinerer Moleküle - wie z.b. Wasser - erfolgt....die Kettenbildung unter Aufnahme kleinerer Moleküle - wie z.b. Wasser - erfolgt....die Kettenbildung nur in wässriger Lösung funktioniert. Inhaltsdimension: C 1.4 C 1.4 Ich kann die Elementsymbole wichtiger Elemente und die Formeln wichtiger Substanzen angeben (Summen- und/oder Strukturformeln). Handlungsdimension: W1 N2 Seite 10

11 Eine andere Form der Bildung kettenförmiger Riesenmoleküle ist die Polymerisation: Dazu ein Beispiel in Bildern: Das ist ein Ethen-Molekül zwischen den Kohlenstoffatomen ist eine Doppelbindung Hier siehst du drei Ethen-Moleküle Bei der Polymerisationsreaktion werden Bindungen geöffnet......und neue Bindungen entstehen. Das Ergebnis ist ein Polymer! Seite 11

12 Betrachte die Abbildung unten. Sie zeigt drei Beispiele von Polymerisationsreaktionen. 3. AUFGABE: Bei dieser Art der Kettenbildung spricht man von Polymerisation, weil...(kreuze das Richtige an!)... Einfachbindungen gelöst und in Doppelbindungen umgewandelt werden. x... Doppelbindungen gelöst und in Einfachbindungen umgewandelt werden.... kleine Moleküle durch zusätzliche Kohlenstoffatome miteinander verbunden werden.... kleine Moleküle durch Hitze miteinander verschweißt werden.... die Kettenbildung unter Abspaltung kleinerer Moleküle - wie z.b. Wasser erfolgt. Inhaltsdimension: C 1.4 C 1.4 Ich kann die Elementsymbole wichtiger Elemente und die Formeln wichtiger Substanzen angeben (Summen- und/oder Strukturformeln). Handlungsdimension: W1 N 2 Seite 12

13 Aus flüssigem Styren entsteht festes Polystyren! Zwei Moleküle Styren Auch hier werden Bindungen geöffnet und neu gebildet AUFGABE: Betrachte die Abbildungen! Die beiden Styrenmoleküle werden durch Polymerisation Polykondensation Polyaddition miteinander verkettet. (Kreuze das Richtige an!) Inhaltsdimension: C 1.4 C 1.4 Ich kann die Elementsymbole wichtiger Elemente und die Formeln wichtiger Substanzen angeben (Summen- und/oder Strukturformeln). Handlungsdimension: W1 N 2 Seite 13

14 Kunststoffe werden in Gruppen unterteilt! Wir unterscheiden Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. Thermoplaste schmelzen bei Erwärmen und können dann leicht verformt werden. Sie behalten nach dem Erkalten diese neue Form bei (Abb. a) Duroplaste sind hart und schmelzen auch bei starker Erwärmung nicht. Einmal in Form gebracht, können sie nicht mehr weiter verformt werden. Bei Normaltemperatur sind sie hart und spröde. Elastomere sind in einem weiten Temperaturbereich sehr elastisch. Sie nehmen immer wieder ihre ursprüngliche Form an. Diese unterschiedlichen Eigenschaften hängen natürlich mit der unterschiedlichen Struktur der kettenförmigen Riesenmoleküle zusammen! Seite 14

15 5. AUFGABE : Alltagsprodukte verlangen nach ganz speziellen Eigenschaften des Werkstoffes, aus dem sie gemacht sind. Nicht jeder Kunststoff eignet sich für jeden Zweck. In der Tabelle unten findest du eine Auflistung der derzeit wichtigsten Kunststoffe. Ziehe mit der Maus die Alltagsprodukte in den Kästchen unterhalb der Tabelle in das jeweils richtige leere Feld neben den Kunststoffgruppen Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere KUNSTSTFF VERWENDUNG PE Polyethen Thermoplaste PP Polypropen PS Polystyren PVC Polyvinylchlorid PA Polyamid PMMA Polymethylmethacrylat Duroplaste MF Melamin-Formaldehyd- Harz (Phenoplaste) Elastomere UF Aminoplaste PUR Polyurethan Vulkanisierter Kautschuk (Gummi) Zuordnung der Begriffe in die Kästchen Verwendung : Joghurtbecher (Feld 1), Babyschnuller (Feld 3), Kochlöffel (Feld 2), elektrisches Isoliermaterial (Feld 2), Abflussrohre (Feld 1), Plastikbeutel (Feld 1), Eierbecher (Feld 2), Matratzen (Feld 3), Gummistiefel (Feld 3) Inhaltsdimension: C 1.4 C 1.4 Ich kann die Elementsymbole wichtiger Elemente und die Formeln wichtiger Substanzen angeben (Summen- und/oder Strukturformeln). Handlungsdimension: W1 N 3 Seite 15