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LNCU

LEBENSNAHER CHEMIEUNTERRICHT

2.0
SUCHERGEBNISSE: 334
Chemie
Sekundarstufe II
Reaktionswege in der organischen Chemie
Kunststoffe
Datum:

Die Erfindung des Nylon

der historische Weg zur Faser für die Massenproduktion

11.11.2026
47617
30

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Noel ThomasNoel Thomas
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Die Idee dahinterPDF

Aufgaben

  1. Entwickeln Sie Schritt für Schritt eine Kunstfaser und dokumentieren Sie ihren Weg im Produktentwicklungsbuch.

Vom Wunsch nach Seide

Du bist Mitglied im Entwicklungsteam von Wallace Carothers bei Du Pont. Euer Ziel: eine Faser, die so gut ist wie Seide. Dokumentiere deinen Weg im Produktentwicklungsbuch.

Wilmington, Delaware, Anfang der 1930er-Jahre. Im Forschungslabor des Chemieunternehmens Du Pont leitet Wallace Carothers ein Team, das etwas Neues wagt: Es will nicht nur Stoffe herstellen, sondern verstehen, wie aus kleinen Molekülen riesige Ketten entstehen.

Seide ist zu dieser Zeit ein Luxusgut: teuer, aus Fernost importiert und knapp. Ein Material aus dem Labor, das sich anfühlt und hält wie Seide, wäre ein Durchbruch.

Wie baut man eine Faser, die so gut ist wie Seide, aber aus dem Labor kommt? Das ist die Leitfrage deines Produktentwicklungsbuchs.

Das Forschungslabor bei Du Pont in den 1930er-Jahren.1

Seide stammt aus dem Kokon des Seidenspinners. Der Faden besteht aus dem Protein Fibroin. Fibroin ist ein Biopolymer: Aminosäuren sind durch Peptidbindungen (–CO–NH–) zu langen, unverzweigten Polypeptidketten verknüpft.

Primärstruktur: Die Reihenfolge der Aminosäuren in der Kette. Im Fibroin kommen vor allem kleine Aminosäuren wie Glycin und Alanin vor.

Sekundärstruktur: Die Ketten falten sich zu β-Faltblättern. Die Amidgruppen benachbarter Kettenstücke bilden dabei Wasserstoffbrücken.

Tertiärstruktur: Die Faltblätter lagern sich zu dichten, geordneten Bereichen zusammen. Diese Bereiche liegen eingebettet zwischen ungeordneten Bereichen. Wie das genau aussieht, erfährst du am Ende der Lernstraße.

Seidenspinner und Kokon.

Primär-, Sekundär, und Tertiärstrukturen von Polypeptiden.

Kontrollfragen: Seide und Kunststofftypen

Seidenfibroin besteht aus unverzweigten Polypeptidketten. Welchem Kunststofftyp entspricht dieser Aufbau am ehesten?

Ordne den Aufbau dem Kunststofftyp zu.

unverzweigte Ketten, nur schwache Wechselwirkungen

richtig zugeordnetfalsch zugeordnet

weitmaschig vernetzte Ketten

richtig zugeordnetfalsch zugeordnet

engmaschig vernetzte Ketten

richtig zugeordnetfalsch zugeordnet

Carothers‘ Team hat nun ein Zwischenziel: Es muss genau festlegen, was die neue Faser können soll. Dazu gehört auch, wie ihre Moleküle aufgebaut sein müssen, damit sie diese Eigenschaften hat. Diese Liste heißt Anforderungsprofil.

Formuliere das Anforderungsprofil für die Kunstfaser: Welche Eigenschaften soll sie haben und welcher Aufbau der Makromoleküle muss dafür vorliegen?

Im Planungsbüro soll ein Syntheseplan entstehen. In der Seide verknüpft die Natur Aminosäuren durch eine Kondensation: Eine Carboxygruppe reagiert mit einer Aminogruppe, dabei wird Wasser abgespalten.

Um die Tür zu öffnen, musst du die Bindung benennen, die dabei entsteht.

Im Planungsbüro entsteht der Syntheseplan.2

Tür zum Planungsbüro

Wie heißt die Bindung –CO–NH–, die bei der Kondensation von Carboxy- und Aminogruppe entsteht?

deine Antwort, richtigdeine Antwort, falsch

Die Chemiker stellen vier Monomere zur Auswahl: Adipinsäuredichlorid ClOC–(CH₂)₄–COCl, Hexan-1,6-diamin H₂N–(CH₂)₆–NH₂, Ethan-1,2-diol HO–CH₂–CH₂–OH und Glycerin (Propan-1,2,3-triol). Adipinsäuredichlorid ist ein Säurechlorid: Es ist viel reaktionsfreudiger als die Adipinsäure selbst und wird deshalb im Schullabor verwendet.

Kennzeichne zuerst die funktionellen Gruppen und wähle dann die zwei Monomere aus, die zu unverzweigten Ketten mit Amidbindungen führen.

Funktionelle Gruppen und Monomerwahl

Welche funktionellen Gruppen tragen die Monomere?

Adipinsäuredichlorid

richtig zugeordnetfalsch zugeordnet

Hexan-1,6-diamin

richtig zugeordnetfalsch zugeordnet

Ethan-1,2-diol

richtig zugeordnetfalsch zugeordnet

Glycerin

richtig zugeordnetfalsch zugeordnet

Welche zwei Monomere ergeben unverzweigte Ketten mit Amidbindungen?

Adipinsäuredichlorid und Hexan-1,6-diamin reagieren sehr schnell, schon bei Raumtemperatur. Die Reaktion ist praktisch nicht umkehrbar, weil das entstehende HCl neutralisiert wird.

n ClOC–(CH₂)₄–COCl + n H₂N–(CH₂)₆–NH₂ → [–OC–(CH₂)₄–CO–NH–(CH₂)₆–NH–]n + 2n HCl

Weil beide Stoffe so schnell reagieren, nutzt man zwei Phasen: Das Diamin liegt in wässriger Lösung vor, das Säurechlorid in einem organischen Lösungsmittel. Die Phasen vermischen sich nicht. Die Kette bildet sich nur an der Grenzfläche (Grenzflächenpolykondensation). Dort entsteht ein Polymerfilm, den man als Faden abziehen kann; neues Monomer diffundiert nach.

Schema der Grenzflächenpolykondensation: wässrige Phase unten, organische Phase oben, Polymerfilm an der Grenzfläche.2

Kontrollfragen: Grenzfläche

Warum verwendet man im Labor Adipinsäuredichlorid statt Adipinsäure?

Was ist der Vorteil von zwei nicht mischbaren Phasen?

Planung der Synthese

Welche Stoffe und Geräte brauchst du für die Grenzflächenpolykondensation?

0 von 3 gewählt

Bringe die Schritte in die richtige Reihenfolge.

  1. Wässrige Diaminlösung in das Becherglas geben
    richtiger Platzfalscher Platz
  2. Säurechloridlösung vorsichtig darüberschichten
    richtiger Platzfalscher Platz
  3. An der Grenzfläche entsteht ein Film
    richtiger Platzfalscher Platz
  4. Film mit der Pinzette fassen und als Faden herausziehen
    richtiger Platzfalscher Platz
  5. Faden mit Wasser waschen und trocknen lassen
    richtiger Platzfalscher Platz

Das Syntheselabor darf nur mit Schutzkleidung betreten werden. Hexan-1,6-diamin und Adipinsäuredichlorid wirken ätzend, die organische Phase ist brennbar.

Im Syntheselabor gilt: Schutzbrille, Kittel, Handschuhe.2

Führe den Versuch nach deinem Protokoll durch und beschreibe deine Beobachtungen.

Vermutung: Was entsteht an der Grenzfläche?

Was siehst du, wenn die Säurechloridlösung auf die Diaminlösung trifft?

Beobachtung: Deutung:

Im Analyselabor wird die frisch gezogene Probe am Prüfstand untersucht. Wähle eine Prüfung (oder ziehe sie auf die Probe) und beobachte, wie sich die Probe verhält. Die Ergebnisse erscheinen in der Tabelle.

Teste die Probe mit mindestens vier Prüfungen und notiere ihre Eigenschaften im Produktentwicklungsbuch.

Beobachtung: Vermutung:

Die Probe ist chemisch ein Polyamid, aber als Faser enttäuschend. Dafür gibt es mehrere mögliche Erklärungen.

Hypothese: Warum ist die Probe so schwach?

Welche Erklärung hältst du für am wahrscheinlichsten?

Im Reiter „Chemische Struktur“ siehst du in drei Vergrößerungen, was in der Probe steckt: die Probe, die Ketten und die Moleküle.

Betrachte die Probe in allen drei Vergrößerungen und überprüfe damit deine Hypothese.

Die Ketten liegen wie ein Knäuel durcheinander. Dieser ungeordnete Zustand heißt amorph. Nur wenige Amidgruppen benachbarter Ketten liegen so dicht beieinander, dass sich Wasserstoffbrücken bilden. Wenige intermolekulare Wechselwirkungen bedeuten: Die Ketten gleiten leicht aneinander ab, das Material ist wenig stabil.

Entwickle eine Idee: Wie könnte man Ordnung in die Ketten bringen, damit viele Wasserstoffbrücken entstehen?

In der Produktion stellt Du Pont Fasern im großen Maßstab her. Beim Schmelzspinnen wird die Polymerschmelze durch Düsen gepresst. Die Fäden werden gekühlt und über Walzen gezogen. Dabei werden sie verstreckt.

Produktion.2

Tür zur Produktion

Wie kann man die Ketten in eine Vorzugsrichtung bringen?

Bediene die Anlage in der richtigen Reihenfolge, nimm die fertige Spule aus dem Aufwickler mit und beschreibe danach den Vorgang.

Du hast die Spule aus der Produktion mitgebracht. Sie wurde leicht gestreckt (1 : 2). Du kannst jetzt die neue Struktur ansehen und die Eigenschaften erneut testen.

Vergleiche die leicht gestreckte Faser mit der ungestreckten Probe: Prüfe sie wie zuvor und betrachte die chemische Struktur.

Kontrollfragen: Strecken und Struktur

Warum ist die verstreckte Faser fester als die ungestreckte Probe?

Ergänze den Text.

In verstreckten Fasern wechseln Lücke richtigLücke falsch Bereiche, in denen die Ketten Lücke richtigLücke falsch liegen, mit Lücke richtigLücke falsch Bereichen ab. Zwischen den Ketten halten Lücke richtigLücke falsch sie zusammen.

Zurück in der Produktion: Für den Verkauf nimmst du nur eine Spule mit, die deinen Anforderungen entspricht. Zu schwach gestreckte Spulen sind nicht freigegeben. Du kannst die Faser noch einmal strecken und jede Stufe in der Produktanalyse untersuchen. Wenn du zu weit gegangen bist, kannst du zur vorherigen Spule zurückgehen.

Strecke die Faser Stufe für Stufe weiter, bis sie überstreckt ist, und untersuche jede Stufe in der Produktanalyse. Gehe dann zur besten Spule zurück und nimm sie mit.

Die Natur hat die Seide über Jahrmillionen optimiert. Ihre Tertiärstruktur zeigt geordnete, kristalline Bereiche und dazwischen ungeordnete, amorphe Bereiche. Genau das hast du bei deiner verstreckten Faser gesehen.

Tertiärstruktur der Seide: kristalline Bereiche wechseln mit amorphen Bereichen.2

Tür zum Verkaufsraum

Warum ist die Seidenfaser nicht vollständig gestreckt, sondern besteht aus wechselnden Bereichen?

Im Verkaufsraum von Du Pont liegt eine Angelschnur aus Nylon. Sie muss reißfest, knotenfest und etwas dehnbar sein, damit ein Fisch sie nicht sofort zerreißt. Aus deiner Spule (1 : 4) kann so eine Schnur entstehen.

Angelschnur aus Nylon.2

Warum passt deine Spule?

Warum eignet sich deine Spule (1 : 4) für die Angelschnur?

Beantworte die Leitfrage: Wie kommt man vom Wunsch nach Seide zum Nylon?

Ausgangsfrage: Unsere Lösung: Begründung:

Du hast alle Stationen bearbeitet. Vergleiche deine Einträge mit der Musterlösung und sichere deine Ergebnisse.

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Die Erfindung des Nylon
der historische Weg zur Faser für die Massenproduktion
https://lncu.de/material/die-erfindung-des-nylon/