Eine Karosserie aus Kunststoff, und das schon in den 50er Jahren! Warum hat man da nicht einfach Blech genommen?
Vielleicht liegt das Detail in der Struktur. Das probieren wir aus: Wir stellen selbst Kunststoffe her und schauen genau hin.
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Trabant.1
Aufgaben
- Stellen Sie mit Hilfe der Monomer-Strukturen aus M1 begründete Vermutungen darüber auf, was die Eigenschaften der Polymere beeinflussen könnte, die sich aus ihnen bilden lassen.
- Führen Sie V1 durch und halten Sie Ihre Beobachtungen zu den entstandenen Produkten in der Ergebnistabelle M2 fest.
Fünf Monomere
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Strukturformeln der Edukte.
Polykondensation
Materialien
- Schutzbrille
- Becherglas 150 mL, trocken
- Heizplatte
- Glasstab
- Spatel
- Stoppuhr
- Backpapier
Chemikalien
- Zitronensäure
- Glycerin, wasserfrei
- Rizinusöl
- 1,3-Propandiol
Aufbau und Durchführung
Vorsicht: Becherglas und Masse sind heiß.
- Die Edukte Ihres Ansatzes in das trockene Becherglas auf der Heizplatte geben.
- Unter ständigem Rühren mit dem Glasstab für die angegebene Dauer erhitzen.
- Die heiße Masse auf Backpapier gießen und abkühlen lassen.
- Die Festigkeit mit Spatel oder Glasstab prüfen und beobachten.
18 g Zitronensäure (A).
Bei 145 °C auf der Heizplatte erhitzen.
15 g Zitronensäure (A) und 3 g Glycerin (B).
Bei 145 °C auf der Heizplatte erhitzen, zuerst B einfüllen.
4,5 g Zitronensäure (A) und 10 g Rizinusöl (C).
Bei 145 °C auf der Heizplatte erhitzen, zuerst C einfüllen.
9 g Zitronensäure (A) und 7,5 g 1,3-Propandiol (D).
Bis zum Sieden erhitzen und weitere 5 Minuten erhitzen.
Entsorgen und Aufräumen
-
Reste in den Hausmüll geben.
-
Alle verunreinigten Labormaterialien spülen.
-
Alle Materialien an ihren Ursprungsort zurückstellen.
Versuchsbeobachtungen
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Ansatz 1
Zitronensäure
Ansatz 2
Zitronensäure + Glycerin
Ansatz 3
Zitronensäure + Rizinusöl
Ansatz 4
Zitronensäure + 1,3-Propandiol
Aussehen
Farbe, Transparenz
Härte
eindrückbar, kratzbar, unverändert
Zug und Biegen
spröde, zäh, dehnbar
Rückstellvermögen
Ausgangsform nach dem Dehnen wieder erreicht?
Viskosität
dünnflüssig, zähflüssig, pastös, fest
Aufgaben
- Untersuchen Sie die entstandenen Produkte aus M3, indem Sie…
- die freien reaktiven Gruppen markieren.
- skizzieren, wie es zum Polymer weiterwachsen kann (Kette, Verzweigung oder Netz).
- intermolekulare Wechselwirkungen im Polymer einzeichnen.
- Erklären Sie,…
- warum sich die Eigenschaften der Polymere trotz gleicher Reaktionsart unterscheiden.
- wie die Makrostruktur die Eigenschaften genau beeinflusst.
- Sagen Sie für die Reaktion von Glycerin mit Phthalsäureanhydrid die Eigenschaften des Polymers voraus.
Anregungen und Lösungen
Zwischen den Ketten wirken Kräfte, die man aus der Einführungsphase kennt: Van-der-Waals-Kräfte bei unpolaren Ketten wie Polyethylen; Wasserstoffbrücken, zwischen Sauerstoff- und Wasserstoffatomen.
Ansatz 1: Zitronensäure hat drei Carboxygruppen, aber nur eine (tertiäre) Hydroxygruppe. Es entstehen vor allem verzweigte Moleküle, ein dichtes Netz ist kaum möglich.
Ansatz 2: Beide Bausteine haben drei Verknüpfungsstellen, es entsteht ein dreidimensionales, engmaschiges Netz.
Ansatz 3: Rizinusöl liefert drei OH-Gruppen an langen Kohlenwasserstoffresten. Vernetzung ist möglich, aber weitmaschig.
Ansatz 4: 1,3-Propandiol wirkt als kurze Brücke zwischen Zitronensäure-Molekülen. Vernetzung ist möglich, aber weniger dicht als in Ansatz 2.
Ansatz 5: Nach der Ringöffnung wirkt Phthalsäureanhydrid wie ein Baustein mit zwei Säuregruppen, Glycerin hat drei OH-Gruppen. Es entsteht ein dreidimensionales Netz. Die starren Benzolringe zwischen den Verknüpfungsstellen machen es engmaschig.
Material
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Zwei Zitronensäure-Moleküle, über eine Esterbindung verknüpft.
Ein Zitronensäure- und ein Glycerin-Molekül, über eine Esterbindung verknüpft.
Ein Zitronensäure-Molekül und ein Ricinolsäure-Rest (R) des Rizinusöls, über eine Esterbindung verknüpft.
Ein Zitronensäure- und ein 1,3-Propandiol-Molekül, über eine Esterbindung verknüpft.
Phthalsäureanhydrid und Glycerin, durch Ringöffnung zum Halbester verknüpft.
von klein zu groß
- Ordnen Sie die Produkte der Ansätze 1 bis 5 mithilfe von M4 begründet einer Klasse zu.
- Erklären Sie, wie die molekularen Bausteine beschaffen sein müssten, damit ein Thermoplast entsteht.
- Begründen Sie die Entscheidung ein Duroplast zum Bau eines Trabanten zu verwenden.
Lösungen
Die Einordnung richtet sich nach Beobachtung und Makrostruktur. Engmaschig vernetzte Produkte (zu erwarten bei Ansatz 2 und 5) sind Duroplaste, das weitmaschige Produkt mit Rizinusöl (Ansatz 3) ein Elastomer. Bei Ansatz 1 und 4 begründen die Lernenden mit dem Vernetzungsgrad.
In jedem Ansatz steckt ein Baustein mit mindestens drei Verknüpfungsstellen, deshalb entstehen Verzweigungen oder Netze statt einzelner Ketten. Für einen Thermoplast braucht man Bausteine mit genau zwei reaktiven Gruppen, zum Beispiel ein Diol und eine Disäure.
Die Bausteine legen fest, ob Ketten, Verzweigungen oder Netze entstehen können. Dazu kommen Kettenlänge und Kräfte zwischen den Ketten, die die Aussage einschränken: Die Bausteine allein bestimmen die Eigenschaften nicht.
Drei Klassen, ein Prinzip
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Thermoplast
- lineare oder wenig verzweigte Ketten
- keine Verbindungen zwischen den Ketten
- erweicht beim Erwärmen, schmilzt, wird beim Abkühlen wieder fest
- wiederholt formbar
Elastomer
- weitmaschig vernetzt
- lange, bewegliche Kettenstücke zwischen den Verknüpfungsstellen
- lässt sich dehnen und kehrt zurück
- schmilzt nicht
Duroplast
- engmaschig vernetzt
- Ketten sind fest fixiert
- hart, formstabil, spröde
- nicht schmelzbar und nicht umformbar
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Drei Klassen von Kunststoffen im Kettenmodell: lineare Ketten, weitmaschiges Netz, engmaschiges Netz.
Weitergedacht
- Entwickeln Sie einen Vorschlag für Monomere, die einen linearen, schmelzbaren Kunststoff ergeben, und begründen Sie ihn.