Kunststoffe - Chemie-Lernzettel (PDF)

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CHEMIE-Levnzettel - Thema : Kunststoffe Kunststoffe : Polymere sind chemische Verbindungen die vielen Polymere 1 , aus Makromolekülen bestehen Die Makromdeküle sind. kettenartig und setzen sich aus Monomeren zusammen. Zudem sind Monomere die Grundbausteine Kunststoffe Polymere von. Biopolymere : Synthetische Polymere : ~ natürlich vorkommende Kunststoffe bestehen aus Polymere synthetisch -Grundbausteine für lebende Organismen hergestellte Polymere. Proteine aus Aminosäuren ↳ Biopolymere = Einteilung von Kunststoffen : I I Thermoplasten womere D Elastomere Worf- griech. Thermos , warm , heiß, lat durus hart. , griech. elast , dehnbar herkunft und plässein , bilden , formen und griech. meros , Teil und meros , Teil modelhafter Aufbau => = Stroktor/ lineare oder wenig engmaschig dreidimensional weitmaschig , , , dreidimensional Vernetzungs-verzweigte Makromdeküle, vernetzte Moleküle vernetzte Makromoleküle aufbau amorph oder teilkristallin Verhalten - wird weich und formbar ~ hohe Temperaturen -- bleibt verweicht , schmilzt aber nicht beim ~ behält beim Abkühlen die neue Form ~ sehr hohe Temperaturen : zersetzt bei sehr hohen T Erhitzen~ zersetzt sich bei hoher Temperatur verkohlt Beispiele Polyethen Polypropen Polystra, , , Epoxidharze , Phendharze , Naturkautschuk (Gummi , arabicum, Polyvinchlorich Polyesterharze Polybutadien Rohre Fensterprofile , Verkleidungen , ⑧ amorph Amorphe : Materialien sind Materialien , die keine langreichweitige Ordnung in der Anordnung ihrer Atome aufweisen Sie sind. unregelmäßig und ohne eine vorhersehbare Anordnung. teilkristalline Bereiche Ein Feststoff : , der sowohl Kristalline als auch amorphe Bereiche enthält, bezeichnet man als teilkristalin. Somit liegen sowohl Kristalline als auch amorphe Bereiche vor, also ungeordnete Bereiche und klar strukturierte Bereiche. Kristalline Eine Kristalline Strukter Molekülen : in einem festen Stoff , bei ist eine Anordnung der die Teilchen von in einem Atomen oder 600000 regelmäßigen angeordnet sind , wiederholbaren Muster Amorphe Thermoplasten sind unterhalb der sogenannten Glastemperatur hart spröde , und glasartig transparent Glastemperatur keine exakte Temperatur-Temperaturbereich. - amorph Kristallin Vergleich Anordnung unregelmäßig regelmäßig , in Gitterstruktur et Leitfähigkeit niedrig hoch meistens transparent optische Eigen- kann transparent oder spal sein , abhängig schaften von der Gitterstruktur Flexibilität Flexibel bei bestimmten Temperaturen meist fest ,spröde  CHEMIE-Lernzettel-Kunststoffe nicht Klausur Abbaubarkeit und Rohstoffquelle von Kunststoffen relevant Problem Kunststoffen-großteil der Kunststoffe zerfällt nicht natürlich an chemisch beständig verottet nicht - -Verpackungsmaterialien zersetzen sich ausschließlich unter mechanischen Einflüssen Abrieb- Imm klein zerrieben (Mikroplastik) = Herstellung von Kunststoffen - bis in Kunststoffe fast ausschließlich die 30er Jahre : aus nachwachsende Ressourcen - Ende des Zweiten Weltkrieg Rohstoffquelle- : fossile Ressourcen (Erdöl , Erdgas - seit 1990 er Jahre verstärkte Bemühungen : , Kunststoffe aus nachwachsende Rohstoffe herzustellen Polymilchsäure alsechter" Biokunststoffe vertretbaren Zeitraum -Ziel : Mikroorganismen im von Boden abgebaut werden gleichzeitig mechanischer Belastung und Feuchtigkeit für eine gewissene Zeit trotzen > - Beispiele : Stärke basierte Folien oder Polylactic (PLA) be. Polymilchsäure Monomerart aufgebaut -Polyester , welcher aus einer ist Reaktionstypen der organischen Chemie Substitution , Addition Eliminierung, Substitution Bei : der Substitution werden Atome oder Atomgruppen zwischen den Teilchen der Eclulte Die Anzahl der Einfach - oder Mehrfach- ausgetauscht. bindungen an den Kohlenstoff-Atomen bleibt dabei gleich Umlagerung = von Atomen Im Allgemeinen entstehen aus zwei Edekten zwei Produkte. Es gilt vereinfachend A + B-: C + D. Substitutionsreaktionen treten oft bei organischen Stoffen mit Einfachbindungen, dh.. bei gesättigten Verbindungen wie z. B Alkanen auf. ,. -Start der Reaktion : besondere Bedingungen aufgrund , der Stabilität -Katalysatoren (Kondensationen sind daher Sonderfälle der Substitution) Addition Die Addition ist eine Auf der chemischen Reaktion bei : , der Atome oder Atomgruppen an die Doppel- aberDreifachbindung eines ungesättigten Moleküls angelagert werden Dies. findet unter Aufspaltung der Mehrfachbindungen und der Bindung zwei von neuen Einfachbindungen statt. -es entsteht kein Nebenprodukt , d. h. aus zwei Edukt-Molekülen entsteht nur ein Produkt- Molekül : A + B -- Bedingungen für den Start der Reaktion aufgrund der hohen keine besonderen Reaktivität - , Beispiel Hydrierung- Wasserstoff-Moleküle lagern sich die Kohlenstoff-Atome : CHEMIE-Lernzettel-Kunststoffe Eliminierung : Die Eliminierung ist eine chemische Reaktion , bei der Atome oder Atomgruppen wird an zwei benachbarten Kohlenstoff-Atomen abgespalten werden Dabei. je ein gebundenes Atom oder eine Atomgruppe entfernt und eine Mehrfachbindung ausgebildet. Die Eliminierung stellt die Rückreaktion der Action dar Es gilt : C-A + B. Vor allem Alkane , Halogenalkane Alkohole können und Eliminierung eingehen. - Dehydrierung : Wasserstoff Dehydratisierung : Wasser Dehydrohalogenisierung Halogenwasserstoff > - : Herstellung von Monomeren durch elektrophile Addition Additionsreaktion Reaktionsmechanismus Reaktionsmechanismen dienen : zur Veranschaulichung der exakten Abläufe während Umwandlung Eckten in Produkte der von unter Einbeziehung aller Übergangszustände und Zwischenstoffen Diese. Edlekte ----- Produkte Modellbetrachtung ermöglicht die Ausbildung derGrauzone" zwischen Edukten und Produkten auf der Teilchenebene. Zwischenstufen sind Teilchen , die als kurzzeitig existierende Zwischenprodukte bei organischen Reaktionen nachgewiesen werden können. Mechanismus der radikalischen Polymerisition Polymerisation Voraussetzung : für jede Polymerisation ist , das das Monomer-Molekül mindestens eine C C = Doppelbindung besitzt welche , durch Wärme, Licht oder Initiatoren aktiviert wird. - enthalten die Monomere nur eine C=C Doppelbindung: entstehen Polymer-Ketten -enthalten die Monomere mehrere ( = C Doppelbindungen - entstehen vernetzte Makromoleküle Radikalbildung : 1.. Ein linitiator (z B.. ein Peroid) zerfällt aufgrund vor R - R > - R. +. R Wärme und bildet zwei Radikale Kettenstart S : 21:. Diese Radikale greifen die ungesättigte C-C-Doppelbindung. an R. + ↑ > - Met der besonderen Reaktivität der Bindung -Dies geschicht aufgrund. Denn die CC-Doppelbindung ist eine Elektron-reiche Stelle und Radikale , die oft ein einzelnes ungepaartes Elektron haben suchen , , Bereichen die Energie des Systems -Ö-CH3 nach solchen Elektronen-reichen , um it zu minimieren. 2 1.. Dadurch entsteht ein neues Radikal R. + - i i = - - - i ! - Kettenwachstum : 3 1. - Das neu entstandene Monomer-Radikal reagiert mit einem weiteren Monomer Die. Doppelbindung des Monomers wird ebenfalls aufgebrochen und das Monomer wird an die Kette gebunden. 3 2. · Diese Reaktion setzt sich fort indem das Kettenende jedes Mal als Radikal bestehen , bleibt und weitere Monomere angreifen kann. Auf diese Weise wächst die Kette schnell und kontinuierlich ric-c It CH3 me It CH3 -Ö-ch-Ö-CH3 > - t it 1 i R- -. + y = - - R - q 4- -  CHEMIE-Lernzettel-Kunststoffe Kettenabbruch 4 1. - Die Reaktion endet , wenn zwei Radikale aufeinandertreffen und weinem stabilen Molekül reagieren. > - Rekombination : Zei Radikale treffen aufeinander und verbinden sich zu einer stabilen Bindung. Die beiden Kettenenden binden dabei aneinander und bilden ein langes Molekül. I · City ↳ It it 1 R-c-ce- I Synthese von Polyestern-Polykondensation Bei der Synthese eines Polyesters werden als Monomere mehrwertige Alkohole eingesetzt, welche durch eine sich vielfach wiederholende Kettenreaktion über Ester-Gruppen miteinander verknüpft werden. Da es weiner sich vielfach wiederholenden Kondensation kommt deutet , man in der Reaktionsgleichung die Repetiereinheiten Produkte mit n Polymeren an. Neben den erhält man als weitere niedermolekulare Verbindungen Vergleich den , also Polymeren sehr kleine Moleküle im zu. -Damit die Synthese ungehindert ablaufen kann müssen die Nebenprodukte kontinuierlich , abgeführt werden. Mechanismus durch Säure eine katalysierte Reaktion : 1. Ein Proton (H') mit lagert sich negativer Partialladung an an das (Säurekatalyse) Carbonyl-Sauerstoffatom HO-R + H - bindet das Proton. 11 EinElektronenpaar der Doppelbindung Re-. 12 Die positive Ladung wird verschoben Kation #0 Bildung eines -. - of.. An diesem können nucleophile Teilchen (z B 3 1. Hydroxygruppe).. leicht angreifen. nuclegphil-negativ/partial negativ geladen Erklärung die Doppelbindung aufgebrochen wird Die C-0-Gruppe ist stark polarisiert weil Sauer- · - : warum , stoff elektronegativer als Kohlenstoff ist. -Kohlenstoff St Sauerstoff elektrophil 3 macht Polarisierung -Sauerstoff S Cempfänglich für Nukleophile wie - OH) · Ein Nukleophil (wie-H) greift den CO-Kohlenstoff an , um die Elektronendichte auszugleichen. dazu ist dasfreie Elektronenpaar Sauerstoff dazu bestrebt , die Elektronenpaare Im Vergleich am da das Sauerstoff-Atom deutlich zu behalten , elektronegativer ist. > - Sauerstoff des Carbonyls nicht direkt reaktiver : Elektronenpaare wirken stabilisierend sichern eine energetisch günstige Verteilung der Elektronen => Der Sauerstoff der Elektronendlichte durch Hydroxylgruppe hat ebenfalls eine hohe · seine freien Elektronen paare Diese Elektronenpaare sind jedoch relativ stabil und. wirken hauptsächlich als Abgangsgruppe (z B bei der Bildung von Wasser)..  CHEMIE-Lernzettel-Kunststoffe 20 Unter Anlagerung einesweiteren Moleküls (hier Alkohol) an die Carbonsäure wird eine lovalente Bindung zwischen dem nucleophilen Sauerstoffatom der Hydroxygruppe des Alkohols mit Partialladung und dem positiv geladenen elektrophilen negativer , C Atom der Carbonsäure gebildet. -Positive Ladung verschiebt sich auf das Sauerstoffatom-Molekül instabil : Elektronen , die vollständig · = to-R-R-a -Atom geheine ! 1 H -eigentlich 0 = G Elektronen C-Atom versucht Ladung los werden, hier 5 positiv > - = + zu nur Elektronen dieser > - kommt so in natürlicher Form nicht vor Bindung werden keine Ionen der 4 Hauptgruppe vermehrt C-Atom von angezogen - 3. Das positiv geladene Sauerstoffatom gibt ein Proton (H) ab da es seine positive , Ladung loswerden will" Das Proton lagent. sich an das nächstliegende Suerstoffatom. an -Umlagerung der positiven Ladung : Molekül-instabil It I HR-O bit Umlagerung , Ho - Re - bit - 0 - Ra - a 4. Abspaltung eines Wassermoleküls aus diesem Molekül findet spontan statt. > - positive Ladung wieder = Kohlenstoffatom ItI Abspaltung HO-Re-c-o-Ra- bit von It20 , Hoc-Re--O-R Katalysator 5. Mit der positiven Ladung am Kohlenstoffatom ist dieses Molekül ebenfalls nicht sehr stabil o Aus diesem Grund wird Proton (It") ein von der noch vorhandenen Hydroxygruppe abgespalten. > Entstehung eines Esters - -Rec-o-Re-o Katalysator wird Hoc-Re--O-R Katalysator dazugegeben - letztlich wieder abgespalten Polykondensation führt zu Polyamiden Polyestern Polyurethanen , , und Polyamidenen, mit Wasser oder CO2 als Nebenprodukt > - Nebenprodukt : Wasser , CO2 -Polymerstruktur : Linear oder vernetzt RadikalischePolymerisation Polyethylen Polystyrd Poly- erzeugt Polymere wie , , und acrylnitvil ohne Nebenprodukte. -Struktur besitzen eine doppelbindene : ( C-Einheit = (nur bei Monomeren) Centsteht durch Addition -C-Einfachbindungen im Polymer die Doppelbindung - an Polyaddition führt zu Polymeren wie Polyurethan und Epoxidharzen , ohne Nebenprodukte (außer ggt. (O2 bei bestimmten Reaktionen) Orethanbindungen (-NHCOO-)-Isocyanate mit Polydenoder Aminen Etherbindungen (-0 ) -Epoxide mit Aminen oder Polyden. Schwefelbrüchen (-S-)-Thidgruppen mit anderen funktionellen Gruppen  Polykondensation-Mechanismus der Amidsynthese 1. Protonierung Methansäure-Moleküls Öl H-H- eines : Zunächst wird das Sauerstoffatom der Carbonyl-Gruppe des Methansäure-Moleküls durch Proton des ein Katalysator- Moleküls protoniert. 2 Nucleophiler Angriff. Beim nucleophilen Angriff greift das Aminoethan-Molekül als -H > -Cha - IN-CHA - + C H id - nucleophiles Teilchen an und stellt ein nichtbindenes Elektronenpaar für Elektronenpaarbindung eine zur Verfügung 3. Umprotonierung : ↓ CH-CH3 - H - - Ha - CH3 + H - Zunächst spaltet sich ein Proton ab und die Bindung klappt ik ic - - it um und wird zu einem freien Elektronenpaar. CHa - CH3 + H" - CHa -CH+3 Danach wird eine protoniert. der Hydroxy-Gruppen ic it ic it 4. Das Kation spaltet nun in einer Eliminierungsreaktion H - _ CHa-CH3 t H - - It -y - - ein Wasser-Molekül ab. - H 5. Durch Protons (De- eine erneute Abspaltung eines H---CHa-CH Elektronen- protonierung) und Umklappen von H paaren entsteht schließlich U-Ethylformamic. Warum schmelzen Duroplasten nicht ? Duroplasten schmelzen nicht, weil sie eine dreidimensionale, engmaschige, chemische Vernetzung zwischen den Polymerketten besitzen. Diese Struktur macht sie extrem stabil und verhindert, dass die Molekülketten beim Erhitzen gegeneinander gleiten oder schmelzen können. Details zur Struktur von Duroplasten: Vernetzte Polymerketten: Duroplasten bestehen aus Polymeren, die durch kovalente Bindungen zu einem festen, dreidimensionalen Netzwerk verbunden sind. Diese Bindungen sind chemisch stabil und brechen nicht bei Wärme. Keine Beweglichkeit der Molekülketten: In Thermoplasten können sich die Ketten bei steigender Temperatur verschieben, wodurch sie weich und schließlich flüssig werden. Bei Duroplasten ist das nicht möglich, da die kovalenten Bindungen die Ketten fest miteinander verknüpfen. Thermische Stabilität: Duroplasten bleiben fest, auch bei hohen Temperaturen. Wird die Temperatur zu stark erhöht, brechen die chemischen Bindungen jedoch irgendwann. Dabei zersetzen sich die Duroplasten (sie „verkohlen“), anstatt zu schmelzen. Wie verhalten Kristallin sich mit Doromer ? Wir funktioniert das Wachstum bei der Kondensation ?  CHEMIE-Lernzettel-Kunststoffe Polyaddition Polyaedition Auch bei der besitzen die Monomere zwei aer mehrere funktionelle · Gruppen Polyaditionen. können durch Katalysatoren gestartet werden , müssen dies aber nicht. Katalysator nötig ? , Nicht immer , aber oft Besonders wenn. : DieReaktion langsam ist oder eine hohe Aktivierungsenergie benötigt ~ ~ Kontrollierte Reaktionsbedingungen oder Produktstrukturen gewünscht sind. 1. Funktionelle Gruppen in der Polyadalition 0 Isocyanatgruppen N (-N 0) c = R = c - = => = - elektrophil Kohlenstoff : in der Isocyanatgruppe ist stark positiv polarisiert => Hydroxylgruppe (-OH) R-O-I - nucleophil Sauerstoff hat freie Elektronenpaare : , die elektrophile Zentren angreifen können H Aminogruppe (NHa) - => N - R It- - nodeophil Stickstoff : besitzt freie Elektronenpaare = Epoxidgruppen (CHOCH) reaktiv dreiliedrige Epoxidring ist durch Ringspannung sehr reaktionsfreudig - : -Carboxylat-Gruppen (-COO) · nudeophile Form der Carboxylgruppe , besonders bei hoher Basizität nucleophil-freie Elektronenpaar der negative Ladung , die sie für den Angriff auf elektrophile Zentren qualifizieren (oft S oder elektrophil besitzen ein elektrondefiniertes Zentrum das von Nukleophilen angegriffen werden kann Polyaddition um Beispiel von Polyurethan (mit Katalysator) Reaktion braucht Katalysator verstärkt. 1 einen , dieser die negative Partialladung des Sauerstoffs in N. it Der Katalysator verstärkt die negative Partialdung am Sauerstoffatom der Hydrotygruppe des Dies , indem er mit seinem freien Elektronenpaar das Wasserstoffatom der anzieht. Hydroxygruppe 55 Katalysator + H-O-R-O-H / Katalysator H-E-R-O-It. 2 Aufgrund der nun stärkeren Polarisierung : 2 1. Sauerstoff reaktiver als vorherr sucht" sich einen Reaktionspartner, mit dem es seinen Elektronenüberschuss teilen kann Ein solches (also. elektronenarmes) ist das Kohlenstoffatom in der Isocyanatgruppe des Diisocyanates. 2 2 Mit einem seiner freien. Elektronenpaare bildet das Sauerstoffatom eine Bindung zum elektrophilen Kohlenstoffatom aus,.3 sobei 2 sich eines der Bindungselektronenpaare zum Stickstoffatom verschiebt. Katalysator H.... hier 4 E. e HO-R-017 hier 5E Katalysator HR-0-H = c-r-Ecc O sucht sich das ↳ hier 6 E O 5 Hauptgruppe =. N = 5H. positivste Atom S = C 4 Hauptgruppe =. 3 Aufgrund der Ladungen am Sauerstoffatom des Dies und am Stickstoffatom des Disocyanats ist das Molekül instabil. wandert daher das Proton 3. 1 Unter Abspaltung des Katalysators am positiv geladenen Sauerstoffatom der freien Elektronenpaare des Stickstoffatoms. zu einem negativ geladenen Das Elektronenpaar , an das das Proton gebunden war , verbleibt am Sauerstoffatom , soclass auf diese Weise innerhalb des Moleküls stattfindet. ein Ladungsausgleich = Orethan-Gruppe entstanden -Der freigegebene Katalysator kann wieder an ein Diol-Molekül binden und eine weiter Reaktionssequenz initiieren. ⑪-.... Natalysator ⑰ ⑮A = 2 - Ra - - N = c= 0 · - Orethan-Gruppe K. Wachstumsreaktion : entstandene Produkt hat 2 Funktionelle Gruppen- kann mit weiteren Monomeren reagieren - nun die Kette und so verlängern oder jedes Produkt Funktionelle Gruppen : , können auch Ketten unterschiedlicher Länge reagieren O 5. Ende Kettenabbruch : fe-r----R- Wie halten Polymere zusammen ? Polymere halten aufgrund einer Vielzahl von intermolekularen Wechselwirkungen zusammen. bestimmen die Diese Wechselwirkungen physischen Eigenschaften des Polymers wie Festigkeit , , Flexibilität , Schmelzpunkt , Elastizität und Löslichkeit. > - Je länger das Polymer , desto mehr Zwischenmolekulare Wechselwirkung sind vorhanden , weswegen sich auch der Schmelzpunkt erhöht Grundsätzlich können VlW-Kräfte : , Dipol-Dipol-Wechselwirkungen , Wasserstoffbrücken und Ion-Dipp- Wechselwirkungen wirken. Mit den Kriterien kann bestimmt werden welche , Wechselwirkungen wirken :. Polarität 1 VW-Kräfte unpolar : oder Wasserstoffbrüchen polarDipol-Dipol-Wechselwirkungen : 2 funktionelle. Gruppen Alkane Alkene Alkine , , Vollo-Kräfte Alkoho (0) Wasserstoffbrüchenb., Dipo-Dipol Carbonsäuren (-COOH) Wasserstoffbrüchenb., Dipo-Dipol Ketone (C 0) = Dipol-Dipol Amine (NHa) Wasserstoffbrüchenb., Dipo-Dipol Halogene (C-C C-Br) , Dipol-Dipol 3. Elektronegativitätschifferenz große Unterschiede : - polar geringe Unterschiede unpolar. Vorhandensein 4 Wasserstoffatom von : H-Atom an ein stark elektronegatives Atom Wasserstoffbrückenbindungen = 5 lonische. Ladungen : Moleküle mit Ladungen wirken mit benachbarten Molekülen durch oder ionische Wechselwirkungen ion-dipol-Wechselwirkungen