Monomere und Polymere
Monomer: ein kleines Molekül, das sich mit gleichen Molekülen verbinden kann. Polymer: ein sehr großes Molekül (ein Makromolekül), das aus tausenden Monomer-Einheiten besteht, die durch kovalente Bindungen verbunden sind.
Der Teil, der sich wiederholt, heißt Wiederholungseinheit. Wir schreiben ihn in Klammern mit n: –(CH₂–CH₂)ₙ– für Poly(ethen). n kann 1000 bis 100 000 oder mehr sein.
Benennung: Setze „Poly“ vor den Namen des Monomers: Ethen → Poly(ethen), Propen → Poly(propen), Chlorethen → Poly(chlorethen) = PVC, Tetrafluorethen → PTFE (Antihaft-Beschichtung).
Additionspolymerisation
Die Monomere müssen eine C=C-Doppelbindung haben (Alkene). Mit Wärme, hohem Druck und einem Katalysator bricht eine der beiden Bindungen auf. Jedes Kohlenstoffatom hat nun eine freie Bindung, die sich mit dem nächsten Monomer verbindet. Das wiederholt sich tausende Male.
n CH₂=CH₂ → –(CH₂–CH₂)ₙ–
- Es entsteht nur ein Produkt: das Polymer. Kein kleines Molekül geht verloren.
- Die Masse des Polymers = n × Masse des Monomers.
- So zeichnest du die Wiederholungseinheit: Nimm das Monomer, mache aus C=C ein C–C und füge auf jeder Seite eine nach außen zeigende Bindung hinzu.
Beispiele: Poly(ethen) (Tüten, Flaschen), Poly(propen) (Seile, Kisten), PVC (Rohre, Kabelummantelung), Polystyrol (Verpackung), PTFE (Antihaft-Pfannen).
Kondensationspolymerisation
Hier hat jedes Monomer zwei reaktive Gruppen, eine an jedem Ende (zum Beispiel –OH, –COOH oder –NH₂). Wenn zwei Gruppen reagieren, verbinden sich die Monomere, und ein kleines Molekül (meist Wasser, H₂O, manchmal HCl) wird abgegeben.
- Polyester: ein Diol (zwei –OH) + eine Dicarbonsäure (zwei –COOH) → Esterbindungen (–COO–) + Wasser. Beispiel: PET für Flaschen und Kleiderfasern.
- Polyamid: ein Diamin (zwei –NH₂) + eine Dicarbonsäure → Amidbindungen (–CONH–) + Wasser. Beispiel: Nylon für Seile, Zahnbürstenborsten und Fallschirme.
| Addition | Kondensation | |
|---|---|---|
| Monomer | hat C=C | hat 2 reaktive Gruppen |
| Nebenprodukt | keins | kleines Molekül (H₂O) |
| Beispiele | Poly(ethen), PVC | Nylon, Polyester, Proteine |
Natürliche Polymere
- Stärke (Energiespeicher in Reis, Weizen, Kartoffel) und Cellulose (Zellwände von Pflanzen, Baumwolle, Papier): Ketten aus Glucose. Sie entstehen durch Kondensation unter Abgabe von Wasser.
- Proteine (Muskeln, Haare, Enzyme, Seide, Wolle): Ketten aus etwa 20 verschiedenen Aminosäuren, verbunden durch Peptidbindungen (Amidbindungen).
- DNA: Ketten aus vier Arten von Nukleotiden, die die Erbinformation speichern.
- Naturkautschuk: ein Additionspolymer aus Isopren, gewonnen aus dem Latex von Kautschukbäumen (Kerala baut viele davon an). Wird Kautschuk mit Schwefel erhitzt (Vulkanisation), entstehen Vernetzungen, und er wird zäher, wie bei Reifen.
Halbsynthetische Polymere sind natürliche Polymere, die chemisch verändert wurden, zum Beispiel Rayon (Viskose, aus Cellulose).
Aufbau, Eigenschaften und Verwendung
Wie die Ketten angeordnet sind, bestimmt, wie sich ein Polymer verhält:
- Thermoplaste: einzelne Ketten mit schwachen Kräften dazwischen. Sie werden beim Erhitzen weich und lassen sich immer wieder neu formen, deshalb kann man sie recyceln. Beispiele: Poly(ethen), PVC, PET, Polystyrol.
- Duroplaste: Ketten, die durch starke Vernetzungen verbunden sind. Einmal ausgehärtet, schmelzen sie nicht; starke Hitze verkohlt sie. Beispiele: Bakelit (Schalter, Pfannengriffe), Melamin (Teller), Epoxidkleber.
- Elastomere: Wenige Vernetzungen lassen die Ketten sich dehnen und wieder zurückfedern (Gummi).
- Fasern: Ketten, die nebeneinander ausgerichtet sind, geben hohe Festigkeit in einer Richtung (Nylon, Polyester).
Längere Ketten verheddern sich stärker, deshalb ist das Material fester und schmilzt bei höherer Temperatur. Poly(ethen) niedriger Dichte hat verzweigte Ketten (weiche Tüten); Poly(ethen) hoher Dichte hat gerade Ketten, die sich dicht packen (steife Flaschen, Kisten).
Neue Materialien: Kevlar (schusssichere Westen), leitfähige Polymere und Hydrogele entstehen, indem man Monomere und Kettenaufbau verändert.
Kunststoffe und Umwelt
Die meisten synthetischen Polymere sind nicht biologisch abbaubar: Mikroorganismen können sie nicht zersetzen, deshalb bleiben sie hunderte Jahre bestehen. Plastikmüll verstopft Abflüsse, schadet Kühen und Meerestieren und zerfällt zu Mikroplastik. Beim Verbrennen mancher Kunststoffe (wie PVC) entstehen giftige Gase.
Lösungen:
- Vermeiden und wiederverwenden: Stoffbeutel, Stahlflaschen.
- Thermoplaste recyceln: nach dem Recycling-Code sortieren (1 = PET, 2 = HDPE, 3 = PVC, 4 = LDPE, 5 = PP, 6 = PS).
- Biologisch abbaubare Polymere wie PLA (aus Maisstärke) und PHBV, die Mikroorganismen zersetzen können.
- Energiegewinnung und chemisches Recycling zurück zu Monomeren.
Die meisten Monomere stammen aus Erdöl, einem begrenzten Rohstoff. Das ist ein weiterer Grund, sorgsam mit Polymeren umzugehen.
Wichtige Formeln und Definitionen
- n CH₂=CH₂ → –(CH₂–CH₂)ₙ– (Addition)
- Diol + Dicarbonsäure → Polyester + Wasser (Kondensation)
- Diamin + Dicarbonsäure → Polyamid (Nylon) + Wasser
- Molare Masse des Polymers ≈ n × molare Masse der Wiederholungseinheit
- Monomer: Ethen C₂H₄ (28 g/mol); Propen C₃H₆ (42); Chlorethen C₂H₃Cl (62.5)
Gelöste Beispiele
1. Zeichne die Wiederholungseinheit von Poly(propen) aus Propen CH₂=CH–CH₃.
Öffne die Doppelbindung: –(CH₂–CH(CH₃))ₙ–. Die CH₃-Gruppe hängt seitlich an der Kette.
2. Ein Poly(ethen)-Molekül hat n = 5000. Berechne seine molare Masse.
5000 × 28 g/mol = 140,000 g/mol.
3. Warum ist Nylon ein Kondensationspolymer?
Seine Monomere (ein Diamin und eine Dicarbonsäure) verbinden sich über Amidbindungen und geben an jeder Verbindungsstelle Wasser ab.
4. Warum kann man eine PET-Flasche recyceln, einen Bakelit-Schalter aber nicht?
PET ist ein Thermoplast (einzelne Ketten, schmilzt und lässt sich neu formen). Bakelit ist ein Duroplast (vernetzt, schmilzt nicht).
Häufige Fehler
- Zu glauben, jedes Monomer könne Additionspolymerisation machen. Dafür braucht es eine C=C-Doppelbindung.
- Das kleine Molekül (Wasser) in den Gleichungen der Kondensationspolymerisation zu vergessen.
- Die Doppelbindung in der Wiederholungseinheit zu behalten. Im Polymer wird sie zu einer Einfachbindung.
- Zu glauben, alle Polymere seien künstliche Kunststoffe. Stärke, Proteine, DNA und Baumwolle sind auch Polymere.