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Polymere sind Makromoleküle, die aus vielen identischen oder ähnlichen Bausteinen, den Monomeren, bestehen. Der Begriff kommt aus dem Griechischen: poly (viel) und meros (Teil). Man unterscheidet natürliche Polymere (Cellulose, Proteine, Stärke, Naturkautschuk) von synthetischen Polymeren, die als Kunststoffe bezeichnet werden.
Polymerisationsarten
Es gibt zwei grundlegende Mechanismen zur Herstellung synthetischer Polymere:
Kettenpolymerisation (Additionspolymerisation): Monomere mit Doppelbindungen (Vinylverbindungen) addieren sich schrittweise an eine wachsende Kette. Es entstehen keine Nebenprodukte. Die Reaktion wird durch Radikale, Kationen oder Anionen gestartet. Die allgemeine Reaktionsgleichung lautet:
$$n\ \ce{R-CH=CH2 -> [-CH(R)-CH2-]_{\mathit{n}}}$$Beispiele sind Polyethylen (PE) aus $\ce{C2H4}$, Polypropylen (PP) aus $\ce{C3H6}$ und Polystyrol (PS) aus $\ce{C8H8}$.
Kondensationspolymerisation (Polykondensation): Zwei unterschiedliche funktionelle Gruppen reagieren unter Abspaltung eines kleinen Moleküls (meist Wasser, auch Alkohol oder Ammoniak). Die Reaktion kann zwischen zwei verschiedenen Monomeren (z. B. Dicarbonsäure + Diamin) oder innerhalb eines Moleküls mit beiden funktionellen Gruppen ablaufen. Beispiel:
$$\ce{HOOC-(CH2)4-COOH + H2N-(CH2)6-NH2 -> [-OC-(CH2)4-CO-NH-(CH2)6-NH-]_{\mathit{n}} + (2n-1) H2O}$$Dies ist die Synthese von Nylon-6,6 (ein Polyamid). Weitere Beispiele sind Polyester wie PET (Polyethylenterephthalat).
Struktur und Eigenschaften
Die Eigenschaften von Kunststoffen hängen stark von ihrer inneren Struktur ab:
- Thermoplaste sind lineare oder verzweigte Polymerketten, die bei Erwärmung erweichen und sich umformen lassen. Sie bestehen aus amorphen und teilkristallinen Bereichen. Beispiele: PE, PP, PVC, PET.
- Duromere (Duroplaste) sind eng dreidimensional vernetzte Polymere. Nach der Aushärtung sind sie nicht mehr schmelzbar und bleiben formstabil. Beispiele: Bakelit, Epoxidharze.
- Elastomere sind schwach vernetzte Polymere. Sie lassen sich dehnen und kehren nach Entlastung in die Ausgangsform zurück. Beispiel: Vulkanisierter Naturkautschuk.
Wichtige Kunststoffe und ihre Anwendungen
| Kunststoff | Monomer(e) | Eigenschaften | Anwendungen |
|---|---|---|---|
| Polyethylen (PE) | Ethen | flexibel, chemisch beständig | Folien, Verpackungen, Isoliermaterial |
| Polypropylen (PP) | Propen | steif, wärmebeständig | Autoteile, Haushaltsgeräte, Seile |
| Polyvinylchlorid (PVC) | Vinylchlorid | hart oder weich (mit Weichmachern) | Rohre, Fensterprofile, Fußböden |
| Polystyrol (PS) | Styrol | spröde, transparent | Verpackungen, Hartschäume (Styropor) |
| PET | Terephthalsäure + Ethylenclycol | fest, gasdicht | Getränkeflaschen, Textilfasern |
Umweltaspekte
Polymere sind chemisch inert und biologisch nur schwer abbaubar, was zu erheblichen Umweltproblemen führt (Mikroplastik, Vermüllung der Meere). Aktuelle Forschung zielt auf biologisch abbaubare Polymere ab (z. B. PLA aus Maisstärke, PHA aus Bakterien). Recyclingstrategien umfassen sortierte Erfassung, werkstoffliches Recycling (Wiedereinschmelzen), rohstoffliches Recycling (Depolymerisation) und das Energietische Recycling (Verbrennung). Besonders vielversprechend sind enzymatische Recyclingverfahren für PET.
Übungen
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Erkläre den Unterschied zwischen Kettenpolymerisation und Kondensationspolymerisation anhand der Abfallprodukte. Gib ein Beispiel für jede und zeichne das jeweilige Monomer.
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Polyethylen gibt es in den Varianten HDPE (high-density) und LDPE (low-density). Recherchiere den strukturellen Unterschied und erkläre, warum HDPE eine höhere Dichte und höhere Schmelztemperatur aufweist.
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Ein PET-Flasche besteht aus polymerisierten $\ce{C10H8O4}$-Einheiten. Berechne die molare Masse einer Kette mit $n = 100$ Wiederholungseinheiten.
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Bewerte die Aussage: „Alle Kunststoffe sind Thermoplaste und lassen sich daher recycle." Nenne ein Gegenbeispiel und begründe.
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Vergleiche die Umweltauswirkungen von PE-Einkaufstüten gegen die von Papiertüten unter den Aspekten Energieverbrauch, Recyclingfähigkeit und biologische Abbaubarkeit.
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Zusammenfassung
Polymere sind Makromoleküle aus Monomeren, die durch Kettenpolymerisation (Addition ohne Abfallprodukte) oder Kondensationspolymerisation (mit Abspaltung von Wasser oder anderen Molekülen) entstehen. Die Einteilung erfolgt in Thermoplaste (schmelzbar), Duromere (nicht schmelzbar) und Elastomere (dehnbar). Wichtige Kunststoffe wie PE, PP, PVC und PET finden vielfältige Anwendungen, stellen aber aufgrund mangelnder biologischer Abbaubarkeit eine erhebliche Umweltbelastung da.