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Katalytische Polymerisation

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Die Autor*innen
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André Otto
Katalytische Polymerisation
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Katalytische Polymerisation Übung

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

  • 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.

  • 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-$

  • 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.

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