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Transkript Radikalische Polymerisation (Expertenwissen)

Guten Tag und herzlich willkommen! In diesem Video geht es um die radikalische Polymerisation für den Leistungskurs. Das Video gehört zur Reihe Kunststoffe. Als Vorkenntnisse solltest du Chemiewissen der 10. Klasse mitbringen. Mein Ziel ist es, dir in diesem Video den Mechanismus der radikalischen Polymerisation vorzustellen. Ich möchte dir die Struktur der Polymere und Auswirkungen auf Eigenschaften näherbringen. Das Video besteht aus 8 Abschnitten: 1. Ein weißes Pulver 2. Initiatoren 3. Polymerisation von Ethylen 4. Verzweigung 5. Kopf-Schwanz oder Kopf-Kopf 6. Isotaktisch, syndiotaktisch, ataktisch 7. Welche Polymere sind herstellbar? Und 8. Zusammenfassung.

  1. Ein weißes Pulver: Im Jahre 1835 machte der französische Chemiker Henri Victor Regnault eine interessante Entdeckung. Er stellte ein Gas her, das wir heute Vinylchlorid nennen. Wurde der Stoff der Sonne ausgesetzt, bildete sich nach kurzer Zeit ein weißes Pulver. Den Vorgang konnte Regnault nicht erklären. Heute wissen wir, dass sich Polyvinylchlorid, ein Kunststoff, PVC, gebildet hatte. Der Chemiker hatte eine radikalische Polymerisation beobachtet.

  2. Initiatoren: Die Initiatoren für eine radikalische Polymerisation schreibt man als Formel R•, das sind Radikale. Es sind Teilchen mit ungepaarten Elektronen. Sie sind reaktionsfähig und können daher die Polymerisation starten. 1 Radikalquelle ist Dibenzoylperoxid. Bei Bestrahlung wird Kohlenstoffdioxid freigesetzt und 2 Radikalenmoleküle aus 1 Ausgangsmolekül entstehen. Es entsteht das Phenyl-Radikal. Eine 2. Radikalquelle ist Azoisobutyronitril. Beim Erhitzen wird Stickstoff abgespalten und 2 Radikalenmoleküle aus 1 Ausgangsmolekül werden frei. Eine 3. Radikalquelle ist Wasserstoffperoxid. Reagiert Wasserstoffperoxid mit Eisen(II)-Ionen, so entstehen Eisen(III)-Ionen. Außerdem bilden sich Hydroxidionen und Hydroxy-Radikale.

  3. Polymerisation von Ethylen: Wir starten hier mit diesem einfachen Kohlenwasserstoff. Dabei handelt es sich um Ethen, auch Ethylen genannt. Das ist ein Monomer. Die schwarzen Kugeln sind Kohlenstoffatome. Die weißen Kugeln sind Wasserstoffatome. Für die Polymerisation benötigen wir ein Radikal. Der 1. Reaktionsschritt wird als Start bezeichnet. Das Radikal reagiert mit dem Monomer. Die Doppelbindung bricht auf und es entsteht eine feste Bindung. Das ungepaarte Elektron geht an das rechte Kohlenstoffatom. Zwischen den Kohlenstoffatomen verbleibt eine Einfachbindung. Es ist ein größeres Radikal entstanden. Der nächste Schritt der Polymerisation ist das Wachstum der Kette. Das entstandene Radikal reagiert mit einem weiteren Etylenmolekül. Es entsteht ein noch größeres Radikal. Dieses Radikal reagiert mit einem weiteren Monomerteilchen. Der Prozess setzt sich fort, bis sich ein sehr großes Radikal gebildet hat. Das ist schon ein Polymer, doch nun kommt der letzte Schritt. Das ist der Abbruch. 2 Radikale vereinigen ihre ungepaarten Elektronen. Diese Art des Abbruchs bezeichnet man als Rekombination. Es ist auch möglich, dass sich von 1 Radikal 1 Wasserstoffatom ablöst und zum anderen Radikal wandert. Es geht mit dem ungepaarten Elektron eine Bindung ein und es entsteht ein Alkan. Im anderen Teilchen paaren sich die beiden einzelnen Elektronen und es entsteht eine Doppelbindung. Wir erhalten ein Alken. Diese Art des Abbruchs nennt man Disproportionierung. Das Polymer ist entstanden. Fassen wir in Formelschreibweise zusammen: Den 1. Schritt der radikalischen Polymerisation nennt man Start. Der Initiator, das Radikal, reagiert mit dem Monomer zu einem noch größeren Radikal. Nun setzt das Kettenwachstum ein. Das Radikal wird schrittweise durch viele, viele einzelne Monomermoleküle vergrößert. Schließlich ist ein sehr großes Radikal entstanden. Nun kommt es zum Abbruch der Reaktion. 2 Radikale vereinigen ihre ungepaarten Elektronen und bilden ein sehr großes Molekül. Diesen Prozess nennt man Rekombination. Die 2. Möglichkeit des Abbruchs besteht im Übergang eines Wasserstoffatoms von einem Radikal zum anderen. Es entstehen ein Alken und ein Alkan. Diesen Abbruch nennt man Disproportionierung. Das Polymer ist entstanden.

  4. Verzweigung: Ein Polymer kann, wie links, unverzweigt sein, aber auch, wie rechts, verzweigt. Die radikalische Polymerisation liefert hauptsächlich verzweigte Moleküle. Die entsprechenden Kunststoffe sind amorph und selten kristallin.

  5. Kopf-Schwanz oder Kopf-Kopf: In einem Polymer können die Monomere auf unterschiedliche Arten angeordnet sein. Einmal hintereinander (Kopf-Schwanz) oder die gleichen Seiten zeigen aneinander (Kopf-Kopf und Schwanz-Schwanz). Bei einem Polymer wie Polyvinylchlorid ist die Anordnung Kopf-Schwanz. Erklärbar ist das mit der Radikalstabilität.

  6. Isotaktisch, syndiotaktisch, ataktisch: Wenn Substituenten eines Polymers in die gleiche Richtung zeigen, so nennt man die räumliche Anordnung - isotaktisch. Wechseln sich die Richtungen regelmäßig ab, so nennt man die Anordnung - syndiotaktisch. Ist die Anordnung stochastisch, so nennt man die Struktur - ataktisch. Durch radikalische Polymerisation entstehen ataktische Moleküle. Das hat eine geringe Verformungstemperatur und eine hohe Löslichkeit zur Folge.

  7. Welche Polymere sind herstellbar? Durch radikalische Polymerisation kann man eine Reihe von Polymeren synthetisieren. Polyäthylen, Polyvinylchlorid, Polytetrafluorethylen (Markenname Teflon), Polystyrol (eine Verwendung im Styropor) und schließlich Polyacrylnitril (Markenname Orlon).

  8. Zusammenfassung: Radikalische Polymerisation: Diese Polymerisation benötigt 1 Radikal als Initiator. Beim Start reagiert das Radikal mit 1 Monomermolekül. Das entstandene Radikal reagiert mit weiteren Monomermolekülen. Es kommt zum Kettenwachstum. Der Abbruch der Reaktion erfolgt durch Rekombination oder Disproportionierung. Die entstandenen Polymere sind hauptsächlich verzweigt. Sie zeigen die Kopf-Schwanz-Struktur und sind ataktisch. Dadurch sind die Kunststoffe amorph, verformbar und löslich. Eine Reihe von Kunststoffen wird durch die radikalische Polymerisation hergestellt.

Ich danke für die Aufmerksamkeit, alles Gute - auf Wiedersehen!

Informationen zum Video
6 Kommentare
  1. Default

    heißt das kopf-schwanz,kopf-kopf nicht auch cis- und trans- ?

    Von Therealfixboy, vor fast 3 Jahren
  2. 001

    Ich versuche mal das zu extrahieren, was ich verstehe.
    Radikalisch und ionisch hat etwas mit dem Mechanismus zu tun. Katalytisch ist wohl klar.
    Polymerisation kann man durchaus als Polyaddition benennen. Klüger wäre es wahrscheinlich, Polymerisation als Oberbegriff stehen zu lassen und dann von Polyaddition und Polykondensation zu sprechen. Wie das gehandhabt wird, hängt vom Bundesland, der Bildungseinrichtung und der Laune sowie dem Chemieverständnis der Lehrerin/des Lehrers ab.

    Diol und Dicarbonsäure liefert Polyester (Trinkflaschen, teils in Textilien)

    Diamin und Dicarbonsäure liefert Polyamid (Nylon, Capron, Perlon, Dederon - Damenstrümpfe, teils in Textilien)

    Polykondensationen - denn es entsteht stets Wasser. Kondensation - Entstehung kleiner Moleküle, meist Wasser.

    Die populärste Polykondensation zur Bildung eines Polyesters ist die mit Ethylenglycol HO-CH2CH2-OH und Terephthalsäure (Benzol-1,4-Dicarbonsäure). Natürlich könnte man viele andere Beispiele nennen.

    Alles Gute

    Von André Otto, vor fast 3 Jahren
  3. Me1

    Ich habe mir jetzt diese ganzen Videos angeschaut und bin ehrlich gesagt total verwirrt.

    ALso, eine radikalische und katalytische Polymerisation = Polyaddition ?!
    Dann gibt es noch die Polykondensation bei dem ein niedermolekulares Produkt wie H2O entsteht.
    Ich hab hier z.B. eine Aufbage, die genau so lautet:
    Ausgehend von
    1. einem allgemeinen (oder speziellen) Diol und
    2a. einem allgemeinen (oder speziellen) Diamin oder stattdessen!
    2b. einer allgemeinen (oder speziellen) Dicarbonsäure
    a) formulieren Sie die chemische Reaktionsgleichung der Polymerbildung (Stöchiometrie beachten!). Wie heißt das Polymer bzw. die Polymerklasse, das bzw. die Sie formuliert haben?
    b) Um welchen Typ der Polymerisation handelt es sich hier?
    c) Nennen Sie mindestens ein Charakteristikum dieser Polymerisationsart.

    Also ich hätte halt aufjedenfall gesagt, dass es sich um eine Polykondensation handeln, da ja aus einem Diol und einer Dicarbinsäure sich ja immer niedermlekulare rodukte abspalten. Hat er in der Aufgabe praktisch alles offen gelassen, und ich könnte jede Art von Polykondensation formulieren die ich will?

    Von My Nority, vor fast 3 Jahren
  4. 001

    Generell sollte man an dieser Stelle mal in die Fachliteratur gehen. Ist klar, kostet Zeit ...
    Ich möchte mich vor einer Antwort nicht drücken.
    Erstaunlich wäre für mich, wenn die Reaktion radikalisch abläuft und keine Verzweigungen entstehen. Denn Radikale lagern um: primär ==> sekundär ==> tertiär. Durch die Thermodynamik ist das belegt. Wenn die Reaktion aber kinetisch kontrolliert wird, wird eben nicht umgelagert. Das letzte Wort spricht die Empirik, das Experiment.
    Und unter Verzweigung hat man offensichtlich zu verstehen, dass von der Hauptkette Abzweigungen gebildet werden und keine Vernetzungen stattfinden.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor fast 3 Jahren
  5. Me1

    Ok, hab ich mir schon selber beantwortet :P Ich hatte wohl nur Daten zum PE-HD (teilkristallin). Wusste nicht, dass PE-LD radikalisch hergestellt wird. Also ist PE-LD komplett amorph? Wie kommt es eigentlich zu solchen Verzweigungen, wenn durch die Radikale eigentlich nur Ketten gebildet werden können? R-CH2-CH2-CH2-CH2-... können die Ketten dann in zwei/drei/... Richtungen wachsen, sprich, dass ein C-Atom mit einem weiteren C-Atomen in Verbindung steht?

    Von My Nority, vor fast 3 Jahren
  1. Me1

    Mal ne Frage. Es heißt im Video und bei der Frage, dass bei radikalisch polymerisierten Kunststoffen keine Kristallisation stattfindet. Polyethylen kann ja durch diesen Prozess hergestellt werden. Ist Polyethylen nicht ein teilkristalliner Thermoplast? Wäre für ne Antwort dankbar.

    Von My Nority, vor fast 3 Jahren
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