Kunststoffe: Polymerisation, Polykondensation und Recycling
Du lernst, wie Kunststoffe aus kleinen Bausteinen entstehen, unterscheidest Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere und bewertest Recycling-Wege.
Die Grundlagen
Kunststoffe bestehen aus sehr großen Molekülen, den Makromolekülen oder Polymeren. Sie entstehen, indem tausende kleine Moleküle, die Monomere, miteinander verknüpft werden. Die meisten Kunststoffe werden aus Erdöl hergestellt.
Polymerisation
Monomere mit einer C=C-Doppelbindung werden aneinandergehängt. Die Doppelbindung wird dabei aufgespalten, es entstehen lange Ketten aus Einfachbindungen. Es wird nichts abgespalten.
- Ethen → Polyethylen (PE): Folien, Tüten, Flaschen
- Propen → Polypropylen (PP): Verpackungen, Kfz-Teile
- Vinylchlorid → Polyvinylchlorid (PVC): Rohre, Bodenbeläge
- Styrol → Polystyrol (PS): Joghurtbecher, als Schaum „Styropor“
Der Ablauf erfolgt meist als Kettenreaktion mit Start, Wachstum und Abbruch, ausgelöst etwa durch Radikale.
Polykondensation
Monomere mit zwei funktionellen Gruppen reagieren unter Abspaltung kleiner Moleküle (meist Wasser) miteinander:
- Dicarbonsäure + Diol → Polyester, zum Beispiel PET für Getränkeflaschen und Textilfasern
- Dicarbonsäure + Diamin → Polyamid, zum Beispiel Nylon für Strümpfe und Seile
Einteilung nach Eigenschaften
| Klasse | Struktur | Verhalten beim Erwärmen | Beispiele |
|---|---|---|---|
| Thermoplaste | lineare oder wenig verzweigte Ketten | werden weich und formbar, schmelzbar | PE, PP, PVC, PET |
| Duroplaste | stark vernetzt | bleiben hart, zersetzen sich bei hoher Temperatur | Steckdosen, Pfannengriffe |
| Elastomere | weitmaschig vernetzt | gummielastisch, nicht schmelzbar | Gummi, Reifen |
Kunststoffe und Umwelt
Kunststoffe sind leicht, haltbar und günstig, doch genau ihre Haltbarkeit wird zum Problem: Viele werden in der Natur kaum abgebaut. Mikroplastik findet man inzwischen in Meeren, Böden und Lebewesen.
Verwertung
- Werkstoffliches Recycling: sortenreine Thermoplaste einschmelzen und neu formen
- Rohstoffliches Recycling: Kunststoffe in chemische Grundstoffe zerlegen
- Energetische Verwertung: Verbrennung mit Energiegewinnung
- Vermeiden und Mehrweg sind ökologisch meist am sinnvollsten.
Biokunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen oder biologisch abbaubare Kunststoffe sind Alternativen, lösen aber nicht alle Probleme.
Merksatz
Polymerisation: Monomere mit C=C-Doppelbindung verknüpfen sich ohne Abspaltung (PE, PP, PVC, PS). Polykondensation: bifunktionelle Monomere verknüpfen sich unter Wasserabspaltung (Polyester, Polyamide). Thermoplaste sind schmelzbar, Duroplaste nicht, Elastomere gummielastisch.
Beispiele mit Lösungsweg
Beispiel 1
- Terephthalsäure ist eine Dicarbonsäure, Ethandiol ein Diol.
- Bei der Verknüpfung wird Wasser abgespalten (Esterbildung).
Ergebnis Polykondensation, es entsteht ein Polyester.
Beispiel 2
- Polystyrol ist ein Thermoplast aus unvernetzten Ketten, die beim Erwärmen aneinander abgleiten.
- Der Steckdosenrahmen ist ein Duroplast mit engmaschig vernetzten Molekülen.
Ergebnis Thermoplaste sind schmelzbar, Duroplaste zersetzen sich, bevor sie schmelzen.
Übungsaufgaben mit Lösungen
Welches Monomer bildet Polyethylen?
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Ethen.
Was wird bei der Polykondensation abgespalten?
Lösung anzeigen
Meist Wasser (bei manchen Reaktionen andere kleine Moleküle).
Zu welcher Klasse gehört ein Autoreifen?
Lösung anzeigen
Zu den Elastomeren.
Typische Fehler
Bei der Polymerisation soll Wasser abgespalten werden.
Bei der Polymerisation wird nichts abgespalten, nur bei der Polykondensation.
Alle Kunststoffe werden als recycelbar durch Einschmelzen betrachtet.
Nur Thermoplaste lassen sich einschmelzen, und auch nur sortenrein sinnvoll.
Hinweis zur Klassenstufe
In welcher Klasse genau dieses Thema drankommt, unterscheidet sich zwischen den Ländern. Klasse 13 ist der häufigste Zeitpunkt.