Chemie LK Kunststoffe PDF

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Zusammenfassung Kunststoffe...

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Chemie-LK Q3: Kunststoffe und Energie 1. Strukturen bestimmen die Eigenschaften Thermoplast langkettige, lineare, wenig verzweigte Makromoleküle Zusammenhalt Wasserstoffbrücken, van-der-Waals-Kräfte Eigenschaften verformbar unter Erwärmen →Wärme versetzt Moleküle in Schwingungen, Anziehungskräfte werden überwunden (Verschiebung) Struktur

Vertreter Anwendung

Polyethen (PE) Plastiktüten

2. Polymerisation Radikalische Polymerisation

Initiation

Duroplast engmaschiges, dreidimensionales Netz Elektronenpaarbindung

Elastomer weitmaschiges Netz

hitzebeständig, erst bei hohen Temperaturen verkohlt Molekül, große Festigkeit, nicht verformbar Aminoplast, Phenoplast Gehäuse von elektrischen Geräten

dehnbar verformbar (gibt äußerem Druck nach, nimmt alte Form wieder an), zersetzt sich bei hohen Temperaturen

Elektronenpaarbindung

Kautschuk Reifen, Sitzpolster, Dichtungen, Gummibänder

Für den Kettenstart braucht man einen Initiator, der Radikale liefert. Häufig ist dies Dibenzoylperoxid. Es kommt also bei ca. 70°C zu einer homolytischen Spaltung in zwei Radikale.

Kettenstart Die Radikale sind sehr reaktiv und suchen deshalb Elektronen. Gute Elektronenlieferanten sind Doppelbindungen. Diese wird aufgespalten und eine Elektronenpaarbindung zum Radikal hergestellt. Es entsteht ein weiteres Radikal. Propagation Dieses Radikal regiert nun immer weiter mit den Doppelbindungen bis ein langes Molekül entstanden ist. Termination 1. Rekombination aktiver Endgruppen 2. Rekombination zweier Initiatorradikale 3. Reaktion von einem Initiatorradikal mit einer aktiven Endgruppe

Anionische Polymerisation Initiation

Die anionische Polymerisation wird meistens durch Butyllithium eingeleitet, von dem ein Teil zu Butyl-Carbanionen und Lithiumkationen zerfällt.

Kettenstart

Propagation

Das entstandene Carbanion kann nun mit einem Alken-Monomer reagieren, indem es sich mithilfe seines freien Elektronenpaars an ein Kohlenstoffatom des Monomeren bindet. Das Kettenwachstum funktioniert wie gehabt: Mithilfe des freien Elektronenpaars, das bei der Addition eines Monomeren erhalten bleibt, werden nacheinander weitere Monomere gebunden, die Kette wird länger.

Termination Der Kettenabbruch funktioniert praktisch nur, wenn man zu dem Reaktionsgemisch Stoffe wie z.B. Wasser hinzugibt, die mit den Anionen reagieren, sodass die Reaktion beendet wird.

Kationische Polymerisation Es gibt zwei unterschiedliche Kationische Polymerisationen. Zum einen kann eine Brönsted-Säure und zum anderen eine Lewis-Säure als Initiator verwendet werden. Die beiden Mechanismen unterscheiden sich dabei nur in ihrer Initiation und Termination. Brönsted-Säure

Hier wird als Initiator Schwefelsäure verwendet. Zu Beginn der Reaktion lagert sich ein Proton an das linke Kohlenstoffatom an. Da zur Bindung ein Elektronenpaar benötigt wird, klappt ein Elektronenpaar der Doppelbindung des Styrols zum H+-Ion und verbindet es mit dem roten Kohlenstoffatom. Am rechten Kohlenstoffatom fehlt jetzt ein Elektron; es ist daher positiv geladen.

Dieses Kation kann wiederum ein Styrol binden, so dass eine lange Kette entsteht. Die Termination erfolgt, sobald das Kation auf das Säurerestanion (HSO4-) trifft oder alle Monomere verbraucht sind.

Lewis-Säure

Das Aluminiumatom versucht die Oktettregel zu erfüllen, indem es ein weiteres Elektronenpaar aufnimmt, z.B. vom Wasser. So entsteht ein AlCl3-H2O-Komplex. Da die Wasserstoffatome positiv polarisiert sind, wird eines dieser bei dem nucleophilen Angriff der Doppelbindung abgespalten. So entsteht ein Carbeniumion.

Auch dieses Carbeniumion erfüllt die Oktettregel nicht, wodurch es zu einem weiteren Angriff an eine Doppelbindung kommt.

Bei der Addition der Monomere an das Carbeniumion bleibt die positive Ladung erhalten, wodurch eine Kettenreaktion entsteht. Um die Reaktion zu beenden muss das Kation mit einem Anion reagieren, welches aus der Initiationsreaktion noch vorhanden ist. Das Chloratom reagiert direkt mit dem Carbokation, wodurch zwei Moleküle entstehen, die nicht weiter reagieren können.

Nebenreaktion (Kettenübertragung) Durch die Übertragung eines Wasserstoffatoms aus der Mitte der Kette kommt es zu einer Radikalbildung, so dass das Radikal nicht am Ende der Kette liegt (Kettenübertragung).

Das Radikal reagiert nun ganz normal weiter. Es kommt zu einer Verzweigung des Moleküls. Je nach Verzweigungsgrad werden Kunststoffe in Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere eingeteilt.

2.1 Polyethen Druck

Hochdruck-Polyethen hoher Druck: 1400-3500 bar

hohe Temperatur: 150 bis 300°C geringe Mengen von Sauerstoff oder Peroxiden (Radikale) -lange, fadenförmige Ketten mit Polymerisat vielen Verzweigungen (durch hohe Temperatur) Polymerisationsgrad 200-2000 0,92- 0,94g * cm-3 Dichte →low-density-polyethen (LDPE) -unregelmäßige, amorphe Struktur Eigenschaften durch Verzweigungen -zäh, bruchfest, weich, elastisch -erweicht bei 98°C Temperatur Katalysator

Verwendung

billigen Kunststoffartikeln: Verpackungsfolien, Tragetaschen, Getränkeflaschen

Niederdruck-Polyethen Normaldruck, niedriger Druck: 50 bar 50 bis 150°C metallorganische Katalysatoren langkettige, unverzweigte Makromoleküle 7000-180 000 0,94 bis 0,95g * cm-3 →high-density-polyethen (HDPE) -größere Dichte durch engere Polymerketten → lamelllenartig nebeneinander lagern (kristalline Bereiche) -hohe Festigkeit und Wärmestabilität bis 120°C hoch belastbaren Produkten: Schutzhelme, Sitzschalen

LLDPE (linear-low-density-polyethen) -vereint niedrige Dichte von LDPE mit linearen Ketten von HDPE -Verzweigungen sind nur kurze Seitenketten -Niederdruckverfahren zur Herstellung

2.2 Naturkautschuk -Monomer: Isopren (2-Methylbuta-1,3-dien) -Thermoplast -Rinde eine Kautschukbaums liefert 7g Latex (Emulsion aus Wasser und Kautschuk) pro Tag -Rohmasse ohne Wasser schmilzt bereits bei 30°C

-durch Vulkanisation entsteht Gummi (Elastomer)

Zunächst lassen sich die Molekülketten gegeneinander verschieben, da nur schwache WW herrschen. Durch Addition von Schwefel an die Doppelbindung werden Schwefelbrücken zwischen den Ketten ausgebildet. Somit entsteht je nach Vernetzungsgrad ein Elastomer oder Duroplast. Um einen Duroplasten zu erhalten addiert man statt Schwefel ein kurzkettiges Molekül mit einer Doppelbindung, wie Ethen. Goodyear (1883)

2.3 Plexiglas (Acrylglas) -Polymerisation des Monomers: Methacrylsäuremethylester

-bruchsicherer als Glas -geringe Dichte, gute Einfärbbarkeit -Einsatzbereiche: Glasdächer, Möbel, optische Linsen, Glas für Automobile -Thermoplast: ungeordneter Molekülknäul →Polymere mit dieser ungeordneten (amorphen) Struktur sind glasartig/spröde/transparent → kratzunempfindlich, da Moleküle in Knäulen nicht leicht abtragbar! 2.4 Copolymerisate -Bildung eines Polymers aus zwei oder mehr verschiedenen Monomeren -statistisches-Copolymer: unregelmäßige Abwechslung der verschiedenen Monomer-Bausteine -Block-Copolymer: Abfolge von Abschnitten von reinen Monomer-Bausteinen -Pfropf-Copolymer: an lineares Polymer werden über Alkenylreste andere Monomersorten anpolymerisiert

ABS-Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere -undurchsichtiger, zäher Kunststoff -chemikalienbeständig, formstabil, fast unzerbrechlich -langkettiges, unverzweigtes Polymer -Einsatzbereiche: Autoteile, Motorradhelme,Rohre

SAN-Styrol-Acyrlnitril-Copolymere -Eigenschaften den Polystyrols werden verbessert -noch bruchfester -polare Nitrilgruppen verhindern „Angriff“ von unpolaren Flüssigkeiten -Einsatzbereiche: Gerätegehäuse, Telefonapparate

3.Polykondensation -Monomere haben mindestens 2 funktionelle Gruppen -Abspaltung von Nebenprodukten, wie Wasser, Ammoniak oder Chlorwasserstoff -aus bifunktionellen Monomeren bilden sich kettenförmige, thermoplastische Polykondensate -aus trifunktionellen Monomeren bilden sich vernetzte, duroplastische Polykondensate Polyesterbildung Als Edukte dienen eine Dicarbonsäure und ein Diol. Es entsteht ein bifunktioneller Ester mit einer Carboxyl-und einer Hydroxylgruppe.

Diese Veresterung kann mehrfach wiederholt werden, so dass ein linearer Polyester entsteht.

Polyamidbildung Als Edukte dienen eine Dicarbonsäure und ein Diamid.

Diese Carbonsäureamidbildung kann auch mehrfach wiederholt werden, sodass ein Polyamid entsteht.

3.1 Nylon und Perlon (Polyamide) Nylon 1,6-Diaminohexan + Hexandisäure

Nylon 6,6 (Kohlenstoffe von Diamin und Säure)

-…Carbonylgruppe-Aminogruppe-Aminogruppe-Crabonylgruppe… (wechselnde Abfolge) →gute Wechselwirkungsmöglichkeiten Perlon ε-Caprolactam + Wasser

Perlon 6

… (Abfolge immer gleich) →schlechtere Wechselwirkungsmöglichkeiten, niedrigeren Schmelzpunkt als Nylon Eigenschaften -sehr regelmäßig aufgebaut: Ausbildung kristalliner Bereiche und Bildung von Fasern -Thermoplasten -gut für die Herstellung von Kleidungsstücken: Sie sind färbbar, leichter als Seide, elastisch, mottensicher, fäulnis- und laugenfest, außerdem knitterfrei und reißfest

3.2 Polycarbonate -Phosgen (COCl2) reagiert mit Diphenolen unter Abspaltung von zwei HCl zu einem linearen Polykohlensäureester (Thermoplast) →Polykondensation (Estermechanismus) -Polycarbonat, weil Phosgen ein Derivat der Kohlensäure ist -Einsatzbereiche: CD, Helme, Flugzeugfenster, Solarpanele, CDs, DVDs -Eigenschaften: hohe Festigkeit, Schlagzähigkeit

3.3 Phenoplaste -Phenol (bzw. Derivate) reagieren mit Formaldehyd-Lösung unter Abspaltung von Wasser →Polykondensation -elektrophile Subsitution des Methanals an das Phenol, dann Kondensation -Addition kann ortho-oder para-dirigierend sein (enge Verknüpfung: Duroplast)

Es kommt zu einer Substitution eines Wasserstoffatoms durch das Methanal. Dies kann entweder an der ortho- oder para-Stellung passieren.

Durch eine weitere Addition eines Phenols an den Benzylalkohol entsteht unter Abspaltung von Wasser ein Dimer.

Durch weitere Additionen von Phenol und Methanal und Abspaltungen von Wasser kommt es zu starken Vernetzungen. So entsteht ein Duroplast.

-Anwendung: Griffe und Gehäuseteile wärmebeanspruchter Haushalts-und Elektrogeräte Herstellung von Lacken, Klebstoff

3.4 Aminoplaste -Reaktion zwischen Aminogruppe (Bsp. Harnstoff) und Formaldehyd unter Abspaltung von Wasser →Polykondensation Es kommt zu einem nucleophilen Angriff des Stickstoffatoms aus dem Harnstoff an das Carbonyl-Kohlenstoffatom. Da der Stickstoff nun positiv geladen ist, gibt er ein Proton an den negativen Sauerstoff ab, so dass sich eine Hydroxylgruppe bildet.

Es wird nun ein weiteres Harnstoffmolekül addiert unter Abspaltung von Wasser.

Durch Addition weiterer Harnstoff und Methanal Moleküle entsteht ein unverzweigtes, lineares Polymer. Durch Addition eines Methanals an einen nicht randständigen Stickstoff kommt es zu Verzweigungen, wodurch ein Duroplast entsteht.

-Anwendung: Lichtschalter/Formteile, Spanplatte, Klebstoff, Düngemittel

3.5. Polykondensationsmethoden Schmelzpolykondensation: -Edukte werden in der Schmelze ohne Lösungsmittelzusatz umgesetzt -Polykondensationsgleichgewicht muss zugunsten des Produkts in hohe Molmassen verschoben werden →durch Abdestillieren wird das Nebenprodukt entfernt -um Temperatur weiter zu steigern muss ein Vakuum angelegt werden -Nachteile: auftretende Nebenreaktionen bei hohen Temperaturen, thermische Zersetzung der Produkte möglich

Grenzflächenpolykondensation: -Reaktion erfolgt an der Grenzfläche zweier nicht mischbaren Phasen -eignet sich besonders für thermisch weniger belastbare Ausgangsstoffe oder sehr hoch schmelzende Polykondensate -Komponenten werden getrennt und in zwei, nicht mischbaren, Lösungsmitteln gelöst →1 Lösung wird langsam mit der anderen überschichtet -Film an der Grenzphase ist das Reaktionsprodukt, wird der Film entfernt, entsteht sofort ein neuer Lösungspolykondensation: -Reaktion wird in homogener Lösung durchgeführt → Problem: man muss erst ein passendes Lösungsmittel finden -Vorteil: leichteres Abtrennen der Nebenprodukte -Spezialfall ist die Azeotropdestilation mit Schleppern (Wasser als Reaktionsnebenprodukt in Toluol) → höhere Flüchtigkeit des Nebenprodukts zur Abtrennung genutzt -Toluol ist stets wiederverwendbar → Vorteil! 4. Polyaddition -Monomere haben mindestens 2 funktionelle Gruppen → verfügen meist über polare Mehrfachbindungen und reaktionsfähige Wasserstoffatome -verläuft wie Polykondensation in Stufen, d.h. Monomere können an beiden Seiten addiert werden -Monomere reagieren miteinander, indem sich Atome und Elektronenpaare verschieben -keine Nebenprodukte Polyurethan -Diisocyanate (R-N=C=O) und Polyol Das Sauerstoffatom der Hydroxylgruppe greift den positiv polarisierten Kohlenstoff der Isocyanatverbindung nucleophil an. Gleichzeitig wird die Doppelbindung zum Stickstoff aufgespalten und es entstehen ein negativ geladener Stickstoff und ein positiv geladener Sauerstoff.

Nebenreaktion

Um die Teilladungen zu verlieren, bindet der Stickstoff mit einem freien Elektronenpaar das Proton am positiv geladenen Sauerstoff. Die somit entstehende Bindung zwischen den beiden Monomeren heißt Urethanbindung. Es ist ein bifunktionales Molekül entstanden. Am einen Ende befindet sich eine Isocyanatgruppe, die mit einer weiteren Hydroxylgruppe reagieren kann und am anderen Ende befindet sich eine Hydroxylgruppe, die mit einer weiteren Isocyanatgruppe reagieren kann. So entstehen Polyurethane. Durch mehrere Hydroxlgruppen im Monomer kommt es zu einer engmaschigen Verknüpfung und dementsprechend zur Bildung eines Duroplasten. In einer Nebenreaktion reagiert Wasser mit Isocyanatgruppen, was zum Aufschäumen der Polyurethane führt.

5.Energie 5.1 Systeme offenes System -Stoff-und Energieaustausch über Systemgrenzen geschlossenes System -kein Stoffaustausch, nur Energieaustausch abgeschlossenes System (isoliertes System) -kein Stoff-und Energieaustausch möglich

5.2 Innere Energie U und chemische Energie Uch -gesamte Energie der Ausgangsstoffe (durch innere Zusammenhänge vorhandene Energie) -unterteilt in: Kernenergie UK , chemische Energie Uch ,thermische Energie Uth U= UK + Uch + Uth Änderungen der jeweiligen Energieform Atomkernumwandlungsprozesse (UK) -Änderung der Kernenergie Bsp.: Nutzung der Kernenergie in Kernkraftwerken durch Umwandlung in elektrische Energie Austauschprozesse (Uth) -Änderung des Bewegungs-und Ordnungszustandes der Teilchen chemische Umwandlungsprozesse (Uch) -Änderung der chemischen Energie -Umbau chemischer Bindungen, Vorgänge in der Elektronenhülle Bsp.: Umwandlung in elektrische Energie im Bleiakkumulator -kein Absolutbetrag der Inneren Energie U, nur Änderungen bestimmbar ΔU System verliert Energie ΔU0 ; positives Vorzeichen Endotherm: Energie wird aufgenommen U der Produkte ist größer als U der Edukte

-chemische Energie kann in diese 4 energetischen Formen umgewandelt werden:

-abhängig von: Art der Reaktion Reaktionspartner Reaktionsbedingungen (Druck, Temperatur) -mehrere Umwandlungen parallel -Beeinflussung, so dass bestimmte Energieumwandlungen bevorzugt ablaufen

5.3 Energetische Erscheinungen bei chemischen Reaktionen Magnesium mit Salzsäure Beschreibung: Zu dem Magnesiumband wird Salzsäure hinzugetropft. Beobachtung: Der Kolben ist warm geworden (exotherm). Es ist ein Gas frei geworden. freigewordenes Gasvolumen 1ml 40ml 2ml 62ml 3ml 93ml Auswertung: Chemische Energie wurde in thermische (Wärme) und mechanische (Bewegung des Kolben) umgewandelt. Verbrauch von HCl

Mg(s)+2H+(aq)+ 2Cl-(aq)

Mg2+(aq)+ 2Cl-(aq)+ H2(g)

Kaliumchlorid mit Natriumsulfat Beobachtung: Der Kolben ist kalt geworden (endotherm). Auswertung: Chemische Energie wurde in thermische umgewandelt. KCl(s) + (Na2SO4*10 H2O)

K+(aq)+Cl-(aq)+2 Na+(aq)+SO42-(aq)+10 H2O(l)

Zink mit Iod Beobachtung: Durch Zugabe des Iods hat sich die Temperatur erhöht (exotherm). Zink + Wasser Zink + Wasser + Iod

18°C 21°C 47°C Auswertung: Chemische Energie wurde in thermische Energie umgewandelt. HO Zn + I2 2 Zn2+(aq) +2I-(aq) 1.Hauptsatz der Thermodynamik (Satz von der Erhaltung der Energie) Energie kann weder verbraucht noch geschaffen werden. Alle Wirkung der Energie ergeben sich aus Umwandlungen von einer Energieform in eine andere. Die Gesamtmenge der Energie bleibt dabei unverändert. (Mayer 1842) 5.4 Wirkungsgrad -Umwandlung in andere Energieform verläuft nie vollständig: Entstehung von Wärme -Verhältnis zwischen genutzter und aufgewendeter Energie 𝑔𝑒𝑛𝑢𝑡𝑧𝑡𝑒 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒

η(eta)= 𝑎𝑢𝑓𝑔𝑒𝑤𝑒𝑛𝑑𝑒𝑡𝑒 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 Beispiele -Brennstoffenergie (chemische elektrische): η= 0,85 →also werden 85% in elektrische Energie umgewandelt -Dieselmotor (chemische mechanische): η= 0,37 -Glühlampe (elektrische Lichtenergie): η=0,05

5.5 Reaktionsenthalpie geschlossenes System Zn(s) + 2H+(aq) + 2Cl-(aq)

Zn2+(aq) + 2Cl-(aq) +H2(g)

-Gas kann nicht entweichen -Teil der inneren Energie wird als Wärme Q abgegeben (System verliert Energie) -ΔU 2N2 + 4H2O + 1O2 Volumenarbeit für 1mol: -Formel: Wv= -p* ∆V -Gasgleichung: 1mol Feststoff wird zu 24l Gas bei 25°C -aus der Reaktionsgleichung entnehmen wir ein Verhältnis von 2:2:4:1 → aus 2 mol Ammoniumnitrat entstehen also 7 mol Produkte → Wv= -101300Pa * 7mol * 0,024 (Gaskonstante), da wir allerdings nur die Wv für 1 mol Ammoniumnitrat berechnen wollen, müssen wir das Ergebnis noch durch 2 teilen = -8509J = -8,5KJ 5.6 Reaktionswärme Qr -mit der Umgebung ausgetauschte Energie Bestimmung der Reaktionswärme -abgegebene oder aufgenommene Wärmemenge lässt sich nicht messen: Kalorimeter -Thermogefäß mit Wasser gefüllt, darin Reagenzglas

Messung von: Masse des Wassers Temperatur des Wassers vor der Reaktion (T1) Temperatur des Wassers nach der Reaktion (T2)

-bei exothermer Reaktion: freiwerdende Wärme wird auf Wasser übertragen -vom Wasser aufgenommene Wärme Qr ist proportional zur Temperaturdifferenz ΔT=T2 –T1 und zur Masse des Wassers Qr= cp (Wasser)*m(Wasser)*ΔT -cp: Wärmekapazität des Wassers= 4,18 J * g-1 * K-1 (bei konstantem Druck) →ein Gramm Wasser nimmt 4,18 J auf, wenn Temperatur um 1K ansteigt Reaktionen in wässrigen Lösungen -Reaktionspartner liegen in wässriger Lösung vor -Durchführung direkt im Kalorimeter Näherungen -m(Lösung)=m(Wasser bei gleichem V) -cp(Lösung)=cp(Wasser) Anwendungen: 1. In einem mit 1,2 l gefülltem Verbrennungskalorimeter werden 3g Glucose verbrannt. Die Temperatur steigt um 9,4K. Reaktionswärme? -Formel: 𝑄𝑟 = 𝑐𝑝 (𝑊𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟) ∗ 𝑚 (𝑊𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟) ∗ ∆𝑇 -Einsetzen der bekannten Komponenten: → Qr = 4,18J * g-1 * K-1 * 1200g * 9,4 K = 47150,4 J → ∆𝐻𝑟 = −47 𝐾𝐽 2. 50ml Wasser, 1g Natriumhydroxid, ∆T = 5,0 K a) Temperaturänderung von 1 mol Natriumhydroxid in 500ml Wasser Vorgehen: Zuerst die Masse von 1 mol Natriumhydroxid berechnen: 23u + 16u + 1u = 40u = 40g Dann die Temperaturänderung in 500ml Wasser berechnen: 50ml= 5K; 500ml= 0,5K Temperatur muss noch mal die 40g genommen werden: 40g* 0,5K= 20 b) Reaktionswärme für das Lösen von 1 mol NaOH Vorgehen: Qr = 4,18J * g-1 * K-1 * 500g * 20 K = 41800J → 41,800KJ

5.7 molare Reaktionsenthalpie -besserer Vergleich der Enthalpieänderungen, da alles auf 1mol bezogen ist →Vergleich auch wenn unterschiedliche Stoffmengen eingesetzt wurden ΔrHm=

𝑐𝑝 (𝑊𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟)∗𝑚(𝑊𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟)∗𝛥𝑇 𝑛

Einheit kJ*mol-1 (Quotient aus ΔrH und n)

Berechnung der Stoffmenge n feste Stoffe 𝑚 Beziehung zwischen Masse und molarer Masse: 𝑛 = 𝑀 Lösungen Definition der Stoffmengenkonzentration, die nach n umgestellt wird: 𝑛 = 𝑐 ∗ 𝑉 Gase Beziehung zwischen Volumen und molarem Volumen: 𝑛 =

𝑉 𝑉𝑚...