Superabsorber aus der Binde!

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1 V14 Superabsorber aus der Binde! Fach Klasse Überthema Feinthema Zeit Chemie Q2 Synthetische Makromoleküle Eigenschaften von Kunststoffen 30 Minuten Zusammenfassung Bei dem Versuch wird der Superabsorber, der in einer Binde enthalten ist, auf seine Wasserspeicherkapazität hin überprüft und der Einfluss von Säure, Base und Salz auf diese untersucht. Einordnung in den Unterricht 1 Der Versuch kann in der Qualifikationsphase Q2 zum verbindlichen Unterrichtsinhalt 2. Synthetische Makromoleküle durchgeführt werden. Die SuS sollten bereits mit den Grundbegriffen aus der Kunststoffchemie vertraut sein und die Begriffe Osmose und Diffusion kennen. Darüber hinaus sollten die grundlegenden Konzepte wie elektrostatische Anziehung und Säure-Base-Chemie angewendet werden können. Insgesamt weist der Versuch einen hohen Lebensweltbezug auf, da ein Phänomen aus dem Alltag erklärt wird. Dies sollte Interesse und Motivation auf Seiten der Schüler hervorrufen. Außerdem wird gezeigt, wie weitreichend der Einsatz von Kunststoffen ist und wie viele unterschiedliche Anwendungsbereiche sie bedienen. Ebenfalls kann an den Versuch anschließend im Unterricht am Beispiel des verwendeten Kunststoffes einer der Reaktionstypen zur Verknüpfung von Monomeren zu Makromolekülen angeführt werden. 1 Vgl. Hirt, A.: Lehrplan Chemie (2010).

2 Der Versuch Die Durchführung 2 Abbildung 1: Übersicht über die verwendeten Materialien. Eine Binde wird geöffnet und die feinen, weißen, Kügelchen über einer Schüssel abgekratzt. Nun werden die erhaltenen Kügelchen in ein großes Glas gegeben und mithilfe eines Messbechers 100 ml Wasser langsam in das Glas gegeben. Die Konsistenz und die Beschaffenheit der Substanz im Glas, werden mit der Hand überprüft. Anschließend wird ein Stück Papier so zurechtgeschnitten, dass es in das Glas gelegt werden kann und dieses leicht angedrückt. Danach wird die Beobachtung notiert. Nun werden erneut 100 ml Wasser hinzugegeben und der Papiertest durchgeführt. Die Wasserzugabe von 100 ml wird nun sooft wiederholt, bis das angedrückte Papier durchweicht wird. Daraufhin wird in drei weitere Gläser je ein Esslöffel Substanz aus dem Glas in vier Gläser gegeben. Zu einem Glas wird nun ½ Teelöffel Salz, in ein anderes ½ Teelöffel Soda und in das dritte Glas ½ Teelöffel Zitronensäure gegeben. Das vierte Glas dient als Vergleichsprobe. Die Beobachtung Wird die Binde geöffnet und die Kunststoffummantelung abgezogen, so bleibt eine mit kleinen weißen Kügelchen beschichtete Schicht übrig. 2 Vgl. Göthlich, A., Koltzenburg S., Schornick, G.: Vielseitig funktionale Polymere im Alltag. In: Chemie in unserer Zeit. Volume 39/Issue 4. Weinheim S. 272.

3 Abbildung 2: Links: Absorberkügelchen in der Binde. Rechts: Darstellung der gesamten Menge an Absorber aus einer Binde. Die Kügelchen kleben etwas an dieser Schicht und müssen abgekratzt werden. Wird zu diesen Kügelchen 100 ml Wasser gegeben kann beobachtet werden, wie die Kügelchen an Volumen zunehmen und durchsichtig werden. Es bildet sich ein Gel, in welchem das gesamte Wasser eingeschlossen wird. Abbildung 3: Aufquellen des Absorbers bei Zugabe von 100 ml Wasser. Fasst man mit den Fingern diese Oberfläche an, so ist sie nicht nass. Auch ein darauf gedrücktes Blatt Papier weicht nicht durch.

4 Abbildung 4. Das Papierstück weicht bei drücken auf den Absorber nicht durch. Abbildung 5: Aufquillen des Absorbers bei 200 ml Wasserzugabe. Erst nach der Zugabe von insgesamt 300 ml Wasser wird das Papierstück durchnässt. Abbildung 6: Bei Zugabe von 300 ml Wasser, beginnt das Papier durchzuweichen.

5 Werden Salz, Soda oder Zitronensäure zu einem Esslöffel der gelartigen Substanz gegeben, kann beobachtet werden, wie das Volumen abnimmt und Wasser abgegeben wird. Dieser Effekt ist am Stärksten bei Zugabe der Zitronensäure. Abbildung 7: Versuchsanordnung vor Zugabe der einzelnen Substanzen. Abbildung 8: Reihenfolge: Vergleichsprobe ohne Zusatz. Probe mit Salz, Probe mit Soda und Probe mit Zitronensäure. Entsorgung Der Superabsorber kann als Wasserspeicher unter Blumenerde gemischt werden. Die Windel wird in die Feststofftonne gegeben. Ansonsten wird der Absorber in den Hausmüll entsorgt.

6 Fachlicher Hintergrund Windeln, Inkontinenzartikel oder Produkte der Damenhygiene werden im Alltag als selbstverständlich hingenommen, doch wie funktionieren eigentlich diese Produkte? Allen gemeinsam ist der enthaltene Superabsorber. Was ist ein Superabsorber und wie ist er aufgebaut? Wird eine Binde oder Windel geöffnet, ist sie auf den ersten Blick hauptsächlich mit Watte gefüllt. Bei genauerer Beobachtung lassen sich jedoch kleine weiße Kügelchen darin finden. Diese Körner bestehen aus Superabsorber, SAP 3, auf den die Fähigkeit Flüssigkeiten zu speichern zurückzuführen ist. Als Superabsorber werden Polymere bezeichnet, die ein Vielfaches ihres Eigengewichts an Wasser binden können. Dabei entsteht ein festes Gel, welches pro Gramm Polymer einen Liter entmineralisiertes Wasser aufnehmen kann. So bildet sich ein Feststoff, der aus 99,9 % Wasser zusammengesetzt ist. Anwendung finden Superabsorber vor allem in Hygieneartikeln wie Babywindeln, Inkontinenzartikeln für Erwachsene und Damenhygieneprodukten. 4 Auch im Gartenbau werden Superabsorber eingesetzt, die dort als Wasserspeicher dienen. Sie geben langsam Wasser ab, ohne die gesamte Pflanze unter Wasser zu setzen. Weiterhin werden Superabsorber zum Trocknen von überschwemmten Räumen eingesetzt, oder aber zum Löschen von Großbränden. 5 Das Polymer, welches diesen nützlichen Effekt besitzt, ist eine kovalent vernetzte, teilneutralisierte Polyacrylsäure. Indem während der radikalischen Copolymerisation von Acrylsäure, mit Natriumacrylat ein Vernetzer zugegeben wird, entsteht ein dreidimensionales Netzwerk des Polymers. Dieses ist im Gegensatz zu Polyacrylat nicht wasserlöslich. Sowohl die im Grundgerüst enthaltenen Carboxy-Gruppen sind hydrophil als auch die Natrium-Gegenionen, allerdings erreichen die kovalent gebundenen Quervernetzer, dass sich das Polymer nicht mehr lösen lässt, sondern nur aufquillt. 6 3 Abkürzung für superabsorbierende Polymere. 4 Vgl. Göthlich, A., Koltzenburg S., Schornick, G.: Vielseitig funktionale Polymere im Alltag. In: Chemie in unserer Zeit. Volume 39/Issue 4. Weinheim S Vgl. Dehnicke, K. et al.: Chemie im Haushalt Was in der Babywindel steckt, von natürlichen und künstlichen Superabsorbern. In: Chemikum Marburg kurze Broschüre mit Erläuterungen zu den Experimenten. Philipps-Universität Marburg S Vgl. Hofheinz, V.: Das Babywindelprojekt Offene Forschungsaufträge und implizierter Wissenserwerb über die Natur der Naturwissenschaften. In: Naturwissenschaften im Unterricht Chemie. 21/118, S

7 Monomere: Vernetzer Acrylsäure (Probensäure) O Natriumacrylat O OH - O Na + CH 2 CH 2 Wie funktioniert ein Superabsorber? Das Natrium-Polyacrylat ist der kommerziell am häufigsten eingesetzte SAP. Dieser ist in seinem Grundzustand insgesamt betrachtet elektrisch neutral. Durch im Polymer gebundene Natriumionen wird ein osmotischer Druck erzeugt, durch den Wasser ins Innere der Vernetzungen gezogen wird. Die Hydratation dieser Ionen führt zur Abstoßung der negativ geladenen Carboxylat-Gruppen der Polyacrylsäure. Die coulombsche Anziehungskraft zwischen den Natriumionen und den Carboxylat-Gruppen sinkt bei gleichzeitiger Abstoßung der Carboxylat-Gruppen untereinander. Dieser Effekt hat das beobachtete Ausdehnen des Polymers zur Folge. Ebenfalls wird allein durch die Wasseraufnahme das zuvor fest verknäulte Polymer ausgedehnt. Durch die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen und den Carboxylat-Gruppen des Superabsorbers wird das Wasser gebunden. Es kann jedoch nur solange Wasser einströmen, bis die elastische Rückstellkraft des Polymers genauso groß wird wie der osmotische Druck. Je nachdem, wie stark vernetzt die Polyacrylsäure ist, kann Wasser schneller oder langsamer eindringen. Die Ausbildung ausgedehnter Polyacrylfasern führt zur beobachteten ansteigenden Viskosität. Ein weiterer positiver und für die Anwendung essentieller Effekt ist, dass auch unter Druck das Wasser nicht mehr abgegeben wird. Durch die drei Aspekte: gute Aufnahme von Flüssigkeit, gleichmäßige Verteilung dieser im Superabsorber und Speicherung ohne erneute Freisetzung, ist der Superabsorber als Inhaltsstoff für Binden und Windeln geeignet. 7,8 7 Vgl. Hofheinz, V.: Das Babywindelprojekt Offene Forschungsaufträge und implizierter Wissenserwerb über die Natur der Naturwissenschaften. In: Naturwissenschaften im Unterricht Chemie. 21/118/ S Vgl. Göthlich, A., Koltzenburg S., Schornick, G.: Vielseitig funktionale Polymere im Alltag. In: Chemie in unserer Zeit. Volume 39/Issue S. 272.

8 Abbildung 9: Darstellung des Aufbaus und der Funktionsweise von Superabsorbern in der Windel. 9 Durch was kann die Wasseraufnahmekapazität eines Superabsorbers beeinflusst werden? Wird zu dem Gel aus Superabsorber und Wasser eine hohe Konzentration an Kochsalz hinzugegeben, so kann festgestellt werden, dass Wasser abgegeben wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass zum einen die auftretenden elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den ionischen Gruppen verringert werden und zum anderen der osmotische Druck des äußeren Milieus erhöht wird, wodurch Wasser unter Zurückfaltung des Polymers entweicht und nicht weiter aufgenommen werden kann. 10 Weiterhin erfolgt bei Zugabe von Säure eine Protolyse der Carboxylat-Gruppen des Polymers. Dadurch wird die elektrostatische Abstoßung geschwächt, sodass eine geringere Ausdehnung der Fasern erhalten wird. Zudem wird durch den Kationentausch ein geringerer osmotischer Druck erzeugt und eine geringere Wassermenge wird aufgenommen. Auch bei Zugabe von basischen Lösungen wird die Quellfähigkeit des Absorbers verringert. Dies hängt damit zusammen, dass hier der osmotische Druck verkleinert wird, indem die Kationenkonzentration der Lösung höher wird, als im Inneren des Polymers. 9 Göthlich, A., Koltzenburg S., Schornick, G.: Vielseitig funktionale Polymere im Alltag. In: Chemie in unserer Zeit. Volume 39/Issue S Vgl. Göthlich, A., Koltzenburg S., Schornick, G.: Vielseitig funktionale Polymere im Alltag. In: Chemie in unserer Zeit. Volume 39/Issue S

9 Prinzipiell führt ein höherer Vernetzungsgrad des Superabsorbers zu einer größeren Stabilität des Gels, gleichzeitig wird aber auch die Fähigkeit des Ausdehnens durch die vielen Quervernetzungen verringert. Dies bedeutet, dass stark vernetze Superabsorber nicht so viel Wasser aufnehmen können, es jedoch besser einschließen als weniger vernetzte. All diese Aspekte erklären auch, warum zum Beispiel eine Windel, nicht 1 L Urin hält, sondern sehr viel weniger. Zum einen enthält Urin gelöste Salze, die den ins Innere des Polymers gerichteten osmotischen Gradienten vermindern, zum anderen ist er leicht sauer, was dazu führt, das die Quellfähigkeit zusätzlich noch weiter abnimmt. All dies zeigt, dass die Quellfähigkeit von den Faktoren, ph-wert und Ionengehalt der Lösung sowie dem Vernetzungsgrad und der Neutralisation des Polymers beeinflusst wird. 11 Fällt dir ein Beispiel für einen natürlichen Superabsorber ein? Neben den aus Kunstoffen hergestellten Superabsorbern gibt es auch sogenannte natürliche (Super)absorber. Zu ihnen zählt zum Beispiel die Gelatine, die zwar nicht so effektiv Wasser einlagern kann, die aber in Wasser ein gewisses Quellvermögen aufweist. Dies ist in einem einfachen Experiment zu zeigen. Wird ein Gummibärchen in ein Glas mit Wasser gelegt, so quillt dieses mit der Zeit stark auf. Auch die dabei entstehende Konsistenz, ist der des Superabsorbers ähnlich. 12 Im Sinne einer umweltfreundlicheren Produktion, die dazu führen soll, dass der Einsatz von gesundheitlich und ökologisch unbedenklicheren Materialien gefördert wird, wird die Herstellung von SAPs aus nachwachsenden Rohstoffen erforscht. Dabei sollten Produkte auf Basis von Stärke, Pektin oder Cellulose synthetisiert werden. Diese Rohstoffe können durch Einbauen von hydrophilen Gruppen besser wasserlöslich gemacht werden und durch Vernetzung zu stabilen Gelen umgewandelt werden. Diese auf nachwachsenden 11 Vgl. Hofheinz, V.: Das Babywindelprojekt Offene Forschungsaufträge und implizierter Wissenserwerb über die Natur der Naturwissenschaften. In: Naturwissenschaften im Unterricht Chemie. 21/118, S Vgl. Dehnicke, K. et al.: Chemie im Haushalt Was in der Babywindel steckt, von natürlichen und künstlichen Superabsorbern. In: Chemikum Marburg kurze Broschüre mit Erläuterungen zu den Experimenten. Philipps-Universität Marburg S. 22.

10 Rohstoffen basierenden Absorber können durch einfaches Kompostieren unbedenklich und kostengünstig entsorgt werden Vgl. Zeuke, M.: Superabsorber aus nachwachsenden Rohstoffen Die gezielte Synthese mit nachwachsenden Rohstoffen. In: Chemkon. Volume 12/Issue S

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