30 Tage kostenlos testen:
Mehr Spaß am Lernen.

Überzeugen Sie sich von der Qualität unserer Inhalte.

Katalytische Polymerisation 10:35 min

  • Ohne Druck

    Wissenslücken schließen

    videos
  • Überall

    wiederholen und üben

    tests
  • Im eigenen Tempo

    mit Arbeitsblättern lernen

    worksheets
  • Jederzeit

    Fragen stellen

    chat
Mit Spaß

Noten verbessern

30 Tage kostenlos testen

Testphase jederzeit online beenden

Textversion des Videos

Transkript Katalytische Polymerisation

Guten Tag und herzlich willkommen! Dieses Video heißt "Katalytische Polymerisation - Grundkurs". Der Film gehört zur Reihe Kunststoffe. Für die notwendigen Vorkenntnisse solltet ihr bereits die Videos über Kunststoffe für den Grundkurs gesehen haben. Mein Ziel ist es, euch in diesem Video Vorstellungen über den Ablauf und Nutzen der katalytischen Polymerisation zu vermitteln.

Der Film besteht aus 6 Abschnitten: 1. Nur Folien aus Polyethylen? 2. Stabiles Polyethylen mit Ziegler-Natta-Katalysator 3. Wie funktioniert die Reaktion? 4. PE-HD und PE-LD im Vergleich 5. Auch Polypropylen profitiert
6. Zusammenfassung   1. Nur Folien aus Polyethylen? Es ist hinreichend bekannt, dass aus Polyethylen Folien oder Tragetaschen gefertigt werden. Ist das alles? Nein, denn auch diese feste Lösungsmittelflasche besteht aus Polyethylen. Unter dem Recyclingcode sieht man gut das Zeichen PE - Polyethylen. Das Polyethylen, abgekürzt PE, aus dem diese Flasche gefertigt wurde, zeichnet sich im Vergleich zu Folien durch besondere Eigenschaften aus. Wir stellen fest, dass seine mechanische Festigkeit relativ hoch ist. Ganz am Ende des Videos werden wir die Frage beantworten: Wodurch unterscheidet sich diese Struktur von den Folien? Im Video werden wir uns außerdem damit befassen, wie man dieses Polyethylen herstellen kann. Und schon geht`s los. Nämlich bei:

  1. Stabiles Polyethylen mit Ziegler-Natta-Katalysator Durch Polymerisation von Ethylen entsteht unter geeigneten Bedingungen HD-PE, nämlich High-Density-Polyethylen. Das ist das Polyethylen, aus dem die Flasche gefertigt wurde. Um eben diesen Kunststoff zu erhalten, wird ein interessantes Gemisch aus 2 chemischen Verbindungen verwendet: TiCl4 und Al(C2H5)3. Es handelt sich hier um den Katalysator Titan(IV)-chlorid mit Triethylaluminium. Die katalytische Polymerisation wird häufig auch als Koordinationspolymerisation bezeichnet.

  2. Wie funktioniert die Reaktion? Es konnte gezeigt werden, dass Titan(IV)-chlorid und Triethylaluminium nicht einfach so friedlich nebeneinander koexistieren. Es kommt zur Reaktion, wobei beim Titan(IV)-chlorid ein Chloratom gegen eine Ethylgruppe ausgetauscht wird. Und das ist noch nicht alles. Die entstandene Titanverbindung polymerisiert. Die Koordinationsverbindung sieht dann mit Titan im Zentrum so aus. Beim roten Kästchen befindet sich kein Substituent. Es steht mit der Ethylgruppe in cis-Stellung. Das rote Kästchen selbst symbolisiert ein freies, das heißt unbesetztes, Orbital. Im Modell sieht das dann so aus. Lilafarben wird das freie Orbital symbolisiert. Es steht mit der Ethylgruppe in cis-Stellung. Nun nähert sich ein Ethylenmolekül an die Koordinationsverbindung an. Ein Elektronenpaar des Ethylenmoleküls füllt das freie Orbital der Koordinationsverbindung auf. Und so ungefähr hat man sich den Prozess im Modell vorzustellen. Das Ethylenmolekül tritt mit dem freien Orbital der Koordinationsverbindung in Wechselwirkung. Und jetzt erfolgt der entscheidende Schritt. Die Ethylgruppe wird abgelöst und geht an die Ethyleneinheit. Das freie Orbital geht nun an die Stelle, wo früher die Ethylgruppe saß. Das Ergebnis des ersten Schrittes der Polymerisation sieht so aus. Wir haben immerhin schon eine Butylgruppe erhalten. Und so verläuft der erste Schritt der Reaktion im Modell. Das hier ist die Butylgruppe. Lilafarben ist das unbesetzte Orbital gekennzeichnet. Analog geht es weiter. Ein weiteres Ethylenmolekül nähert sich nun an die entstandene Koordinationsverbindung. Ein Elektronenpaar der Doppelbindung tritt in Wechselwirkung mit dem freien Orbital. Die Butylgruppe löst sich ab und geht an das neu herangesetzte Ethylenfragment. Nun haben wir schon eine Kette aus 6 Kohlenstoffatomen. Das freie Orbital entsteht nun am oberen Teil der Koordinationsverbindung. Ich glaube, ihr habt nun das Prinzip verstanden und ich kann beruhigt "usw." schreiben.

  3. PE-HD und PE-LD im Vergleich Vergleichen wir einmal die Dichten in g/cm³. PE-HD hat die höhere Dichte, nämlich von 0,94 bis 0,97. HD heißt nämlich High Density. Entsprechend findet man 0,915 bis 0,935, denn LD heißt Low Density. Für HD steht beispielhaft die Lösungsmittelflasche. Und für LD der Verpackungsbeutel. Vergleichen wir die Reaktionstemperaturen. PE-HD  wird von Raumtemperatur bis 150 °C gefertigt. PE-LD erfordert höhere Werte von 100 bis 300 °C. Und nun zu den Reaktionsdrücken. Bei der Fertigung von PE-HD verwendet man Drücke von 1 bis zu 50 bar. Dafür reicht ein gewöhnlicher Rührkessel aus. Bei PE-LD erfährt man eine unliebsame Überraschung. Man benötigt riesige Drücke von 1500 bis sage und schreibe 3500 bar. PE-HD wird nach dem Ziegler-Natta-Verfahren und dem entsprechenden Katalysator hergestellt. Die Synthese von PE-LD erfolgt radikalisch mit Initiator. Ziegler-Natta-Polyethylen kann man im Unterschied zu der LD-Variante auch für größere Behälter benutzen, und zwar mit einem Fassungsvermögen bis zu 1000l. Die Abkürzung für diese Behälter IBC stammt aus der englisch-amerikanischsprachigen Bezeichnung. Aus PE-LD werden hauptsächlich Folien gefertigt.

  4. Auch Polypropylen profitiert Diese Schüssel besteht aus Polypropylen PP. Der Kunststoff ist relativ fest. Offensichtlich wurde er katalytisch synthetisiert. Wenn Propylen mit Ziegler-Natta-Katalysatoren polymerisiert wird, so gibt es 3 Möglichkeiten der Bildung von Strukturen. Als Erstes eine unregelmäßige Anordnung der Methylgruppen innerhalb der Kette. Diese Anordnung bezeichnet man als ataktisch. Wechseln die Seiten laufend und regelmäßig, so spricht man von einer syndiotaktischen Struktur. Liegt der Methylrest auf der gleichen Seite der Polymerkette, so spricht man von einer isotaktischen Struktur. Mit Ziegler-Natta-Katalysatoren werden kaum ataktische oder syndiotaktische Strukturen erhalten. Die Makromoleküle sind hauptsächlich isotaktisch. Man erhält eine stabile, feste Struktur mit guten mechanischen Gebrauchseigenschaften.

  5. Zusammenfassung PE - Polyethylen - kann in 2 Varianten synthetisiert werden. Einmal als HD - High Density - mit höherer Dichte und dann als Low Density mit geringerer Dichte. HD wird katalytisch mit Ziegler-Natta-Katalysator gewonnen. LD stellt man radikalisch her. Für die radikalische Polymerisation benötigt man relativ hohe Temperaturen bis 300 °C und gigantische Drücke von 1500 bis 3500 bar. Die katalytische Polymerisation verläuft bei milden Bedingungen 20 bis 150 °C und 1 bis 50 bar. Und nun kommen wir zur Auflösung des Geheimnisses. Warum unterscheiden sich die Polymere HD und LD in den Eigenschaften? Ganz einfach und doch kompliziert. Das Ziegler-Natta-Polymer ist hauptsächlich in Kettenform vorhanden, während bei der radikalischen Polymerisation Verzweigungen vorkommen. Polypropylen wird auch katalytisch mit Ziegler-Natta-Katalysator hergestellt. Die Struktur der entstandenen Ketten ist dabei hauptsächlich isotaktisch. Man erhält im Ergebnis erhöhte Festigkeit und verbesserte Gebrauchseigenschaften. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute! Auf Wiedersehen!  

Katalytische Polymerisation Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Katalytische Polymerisation kannst du es wiederholen und üben.

  • Formuliere die Polymerisation von Ethylen.

    Tipps

    Ethen wird in der Industrie anders genannt. Diesen Namen findet man in der Bezeichnung für den Kunststoff wieder.

    Bei der Polymerisation werden Doppelbindungen verbraucht.

    Lösung

    Wortgleichung:

    Aus Ethen (Ethylen) entsteht Polyethylen:

    Ethylen$\:\longrightarrow\:$ Polyethylen

    Formelgleichung:

    Wir lassen eine unbestimmte große Zahl an Ethylen - Molekülen miteinander reagieren. Dafür steht die Zahl n. Der Bruch der einen Bindung führt zur Polymerisation:

    n $CH_2=CH_2$$\:\longrightarrow\:$$-(CH_2-CH_2)_n-$

  • Vergleiche die Eigenschaften der beiden Polyethylen-Sorten PE - HD und PE - LD.

    Tipps

    Die Herstellung von PE - LD erfolgt bei generell viel drastischeren Reaktionsbedingen als die Synthese von PE - HD.

    Der Aufbau der Makromoleküle des PE - HD ist geordneter als der Aufbau der entsprechenden Teilchen im PE - LD.

    Lösung

    PE - HD hat eine höhere Dichte von 0,94 - 0,97 $\frac{g}{cm^{3}}$ gegenüber der geringeren Dichte von 0,915 - 0,935 $\frac{g}{cm^{3}}$ des PE - LD. Der Grund dafür sind die unterschiedlichen Reaktionsbedingungen bei der Herstellung.

    PE - HD wird katalytisch nach Ziegler - Natta hergestellt. Dadurch ist es möglich, dass die Reaktionstemperaturen im Bereich von milden 20 bis 150 °C liegen. Die entsprechenden Temperaturen für die radikalische Synthese von PE - LD überstreichen den höheren Bereich von 100 - 300 °C. Noch deutlicher wird der Unterschied beim Vergleich der Reaktionsdrücke sichtbar. Während PE - HD bei gut realisierbaren 1 - 50 bar produziert werden kann, stellen die Werte von 1500 - 3500 bar für PE - LD eine große technische Herausforderung dar.

    Im Ergebnis unterschiedlicher Reaktionsführung bildet PE - HD unverzweigte Moleküle aus, während die Synthese von PE - LD verzweigte Moleküle liefert. Dieser Unterschied führt zu verschiedener Anordnung im Kunststoff. Das geschieht bei PE - HD geordneter und somit raumsparender als bei PE - LD. Die Folge davon ist die größere Festigkeit des Kunststoffes mit der höheren Dichte. Daher wird PE - HD vorzugsweise für die Herstellung von Haushaltsgegenständen wie Flaschen eingesetzt, während aus PE - LD hauptsächlich Folien gefertigt werden.

  • Formuliere die Reaktion für die Herstellung des Ziegler - Natta - Katalysators.

    Tipps

    Die Titanverbindung liefert das Halogen, die Aluminiumverbindung bringt die organischen Reste ein.

    Es findet nur ein einfacher Austausch statt.

    Lösung

    Als Element der IV. Nebengruppe kann man sich für Titan merken, dass es eine Verbindung Titan(IV)- chlorid gibt. Aluminium ist Element der III. Hauptgruppe. Das erklärt die Existenz von Triethylaluminium.

    Damit ergibt sich für die beiden Reaktionsgleichungen:

    1. Formelgleichung:

    $TiCl_4$ + $Al(C_2H_5)_3$$\:\longrightarrow\:$$TiCl_3C_2H_5$ + $AlCl(C_2H_5)_2$

    2. Wortgleichung:

    Titan(IV) -chlorid + Triethylaluminium $\:\longrightarrow\:$ Trichlorethyltitan + Chlordimethylaluminium

  • Erläutere die Konsequenzen der Druckerhöhung bei der Polymerisation von Ethylen.

    Tipps

    Erinnere dich an die Gasgleichung für ideale Gase.

    Überlege, welche Faktoren die Aktivierungsenergie beeinflussen.

    Lösung

    Es ist richtig, dass die Druckerhöhung eine proportionale Konzentrationserhöhung bewirkt. Wem das nicht klar ist, der verwendet die Gasgleichung für ideale Gase:

    ${p}\cdot{V}\:=\:\frac{m}{M}\cdot{R}\cdot{T}$

    Das Volumen V des Reaktors, die molare Masse des Ethylens M, die Gaskonstante R und die Reaktionstemperatur bleiben unverändert. Damit ergibt sich die Proportionalität:

    p $\:\sim\:$ m

    Da die Konzentration c der Quotient aus der Stoffmenge n und dem Volumen V ist, folgt wegen $n=\frac{m}{M}$:

    p $\:\sim\:$ c

    Wegen dieser Beziehung kommt es zu einer Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit durch Erhöhung des Druckes.

    Der Druck übt keinen Einfluss auf die Aktivierungsenergie aus.

    Anders verhält es sich mit den Produkten. Hoher Druck führt zu einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit. Es kommt zu verzweigten Makromolekülen. Bei niedrigem Druck erhält man unverzweigte Ketten.

    Wenn die übrigen Parameter konstant sind, kann eine Druckerhöhung im Reaktionsgefäß nur durch eine zusätzliche Zufuhr von Ethylen erzielt werden.

    Es ist naheliegend zu glauben, dass bei einer Druckerhöhung (Konzentrationserhöhung) um den Faktor 3500 die Reaktionsgeschwindigkeit eben um diesen Faktor steigt. Bei Beginn der Reaktion kommt es zu einer Dimerisierung, zwei Ethylen-Moleküle reagieren miteinander. Die Kinetik dieser Reaktion entspricht der zweiten Ordnung:

    v = ${k}\cdot{c^2}$

    Die Reaktionsgeschwindigkeit würde sich somit um den Faktor 3500$\cdot$3500 = 12 500 000, weit mehr als zehn Millionen (!), erhöhen.

  • Begründe die Strukturen der Makromoleküle von Polypropylen.

    Tipps

    Welche Wirkung haben Hilfsstoffe der Reaktion auf die Struktur?

    Die radikalische Polymerisation wird charakterisiert durch eine große Beweglichkeit der reaktiven Teilchen beim Kettenwachstum.

    Lösung

    Man unterscheidet die Strukturen nach folgenden Taktizitäten:

    • Ataktisch sagt man, wenn die Substituenten unregelmäßig angeordnet sind.
    • Isotaktisch ist die Struktur bei der Orientierung aller Substituenten zu einer Seite.
    • Syndiotaktisch bedeutet einen ständigen Wechsel der Substituenten von einer Seite zur anderen.
    Die Ziegler-Natta-Synthese liefert ein isotaktisches Polymer. Ohne Katalysator erhält man eine ataktische Struktur.

    Erklärung:

    Der Katalysator fixiert das Propylen-Molekül. Dieser Prozess wiederholt sich während des gesamten Kettenwachstums. Man erhält ein isotaktisches Produkt.

    Bei der radikalischen Reaktion wird keine derartige Koordinierung des Propylen-Moleküls an das Reaktionszentrum beobachtet. Die Drehung um die Einfachbindungen liefert ein ataktisches Polymer.

  • Berechne die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Temperaturerhöhung.

    Tipps

    Verrechne die Einheiten im Exponenten miteinander.

    Lösung

    Die Größen, die in die Arrhenius - Gleichung

    • $k\:=\:{A}\cdot{e^{-\frac{E_a}{RT}}}$
    eingehen, sind:

    k = Geschwindigkeitskonstante

    A = eine für die Reaktion typische Konstante

    $E_a$ = Aktivierungsenergie

    R = Gaskonstante

    T = absolute Temperatur

    Die Gleichungen für beide Temperaturen sind:

    $k_1\:=\:{A}\cdot{e^{-\frac{E_a}{RT_1}}}\;(1)$

    $k_2\:=\:{A}\cdot{e^{-\frac{E_a}{RT_1}}}\;(2)$

    Durch Division von (2) durch (1) erhält man:

    $\frac{k_2}{k_1}\:=\:{e^{\frac{E_a}{R}\cdot(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2})}}\;(3)$

    Es ist sinnvoll, für die Aktivierungsenergie 150 000 J/mol zu verwenden. Damit kürzen sich nämlich alle Einheiten heraus.

    Ergebnis:

    Die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht sich um den unvorstellbar großen Faktor 21 000 000.