Silicone
Beschreibung Silicone
Herzlich willkommen! Vom Äußeren sind Kohlenstoff und Silicium ähnlich. Im Gegensatz zu den organischen Kohlenstoffverbindungen jedoch sind gewisse entsprechende Siliciumverbindungen wasserempfindlich. Daraus ergibt sich die Chance, neue Stoffe herzustellen. Ich zeige euch, über welchen Weg man Silicone herstellt. Das sind Kunststoffe mit hervorragenden Gebrauchseigenschaften, die für die Herstellung vieler nützlicher Dinge verwendet werden. Viel Spaß!
Transkript Silicone
Hallo und ganz herzlich willkommen. In diesem Video geht es um Silicone. Kohlenstoff und Silicium sind ähnliche chemische Elemente. Ihre Verbindungen sind es nicht. Vergleichen wir zwei Beispiele für Kohlenstoff C und Silicium Si. Kohlenstoff bildet Alkane. Als Beispiel CH4, Methan. Silicium bildet entsprechend Silane, ihr einfachster Vertreter ist SiH4. Kohlenstoff bildet Choralkane wie zum Beispiel CH3Cl. Entsprechend bildet Silicium Chlorsilane wie SiH3Cl. Die Kohlenstoffverbindungen reagieren mit Wasser nicht. Sie sind wasserunempfindlich. Die Siliciumverbindungen hingegen reagieren mit Wasser. Sie sind wasserempfindlich. Das ist nicht schlecht, denn aus den wasserempfindlichen Silanen und Chlorsilanen kann man neue chemische Verbindungen herstellen. Herstellung von Silanolen: Vor etwa 75 Jahren, wir haben jetzt 2014, entdeckten die Herren Müller und Rochow eine feine chemische Reaktion. Silicium reagiert mit Chlormethan. In Formelschreibweise: Si(s)+2CH3Cl(g) reagieren zu (CH3)2SiCl2(l). Es entsteht somit Dichlordimethylsilan, (CH3)2SiCl2. Durch eine parallele Reaktion entsteht Trichlormethylsilan, CH3SiCl3. Beide Verbindungen bringt man mit Wasser zur Reaktion. Diese Reaktion heißt Hydrolyse. Es entstehen zwei Verbindungen, Silandiol, (CH3)2Si(OH)2 und Silantriol, CH3Si(OH)3. Das Stoffgemisch unterzieht man einer fraktionierten Destillation. Die Diole werden durch fraktionierte Destillation getrennt und gereinigt. Kommen wir nun zur Siliconherstellung. Die Siliconherstellung verläuft über eine Polykondensation oder Polykondensationsreaktion. Ein Molekül des Diols reagiert mit einem weiteren Molekül des Diols. Ich zeichne ein, wo es zu einer Vereinigung kommt, zwischen OH und H. Außerdem entsteht ein größeres Molekül. In seiner Mitte befindet sich ein Sauerstoffatom, rot gekennzeichnet. Außerdem, das konnten wir ja schon erraten, entsteht Wasser. Daher nennt man diese Reaktion Kondensation. Das entstandene Molekül reagiert mit einem weiteren Diol-Molekül. Es entsteht ein noch größeres Molekül. Wasser wird frei. Und so geht es immer weiter und weiter. Die Kondensation wird zur Polykondensation. Aus dem Diol entstehen kettenförmige Silicon-Moleküle. Man erhält so Siliconöle und -fette. Erinnert euch an das Triol. Auch das Triol kann reagieren. Aus dem Triol entstehen räumlich vernetzte Silicon-Moleküle. So ist es eben vernetzt. Das ist eine ebene Vernetzung. Die räumliche Vernetzung liefert Siliconharze. Bei der ebenen Vernetzung entsteht Siliconkautschuk. Silicone sind Kunststoffe. Man nennt sie auch „Kunststoffe aus Sand“, weil Silicium aus Sand hergestellt wird. Und nun die Verwendung: Silicone haben hervorragende Eigenschaften. Sie sind wasserabweisend. Silicone sind beständig gegen Ozon und UV-Strahlen. Sie sind geruchlos. Silicone sind isolierend. Im Haushalt verwendet man sie für Backformen und als Eiswürfelbehälter. Außerdem werden sie eingesetzt als Bremsflüssigkeit, Schmiermittel und als Dichtungsmasse. In der Medizin verwendet man Silicone für die Herstellung künstlicher Gelenke und für Herzklappenventile. In der Kosmetik benutzt man sie für die Herstellung von Salben. Sie spielen eine Rolle bei der Produktion atmungsaktiver und wasserabweisender Textilien. Das war ein weiterer Film von André Otto. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg, tschüss.
Silicone Übung
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Benenne die Eigenschaften von Siliconen.
TippsÜberlege, wo du Gegenstände aus Silicon im Haushalt findest.
Überlege, was die Aneinanderkettung von vielen Molekülen bewirkt.
LösungSilicone sind Verbindungen mit vielseitig anwendbaren Eigenschaften. Eine wichtige Eigenschaft ist die Wasserbeständigkeit. Silicone reagieren nicht mit Wasser, weshalb sie in Textilien eingesetzt werden. Flüssigkeiten hinterlassen keine Flecken auf der Kleidung, sondern perlen ab. Weiterhin können Ozon und UV-Strahlung dem Silicon nichts anhaben. Man kann sie also in der prallen Sonne stehen lassen, ohne dass etwas passiert. Außerdem hat Silicon keinen Eigengeruch, weshalb es in der Kosmetik mit anderen Gerüchen versetzt werden kann. Da Silicon in Backformen und Eiswürfelformen in direktem Kontakt mit Lebensmitteln steht, kann es natürlich nicht toxisch sein.
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Erkläre, worum es sich bei einer Polykondensationsreaktion handelt.
TippsÜberlege, welche funktionellen Gruppen Diole haben und wie sie miteinander reagieren.
Welche Bindung entsteht zwischen den beiden Diolen?
LösungAllgemein handelt es sich bei einer Kondensation um eine chemische Reaktion, bei der zwei größere Moleküle sich zu einem vereinigen und dabei spaltet sich ein kleineres Molekül ab. Im Fall der Siliconherstellung sind die größeren Moleküle die Silandiole bzw. Silantriole. Wasser wird bei der Reaktion als kleineres Molekül abgespalten. Weil die Verknüpfung der Diole bzw. Triole sehr oft erfolgt, spricht man von einer Polykondensation.
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Beschreibe die Herstellung von Siliconen.
TippsÜberlege, was die Ausgangstoffe zur Herstellung von Silicon sind.
Am Ende muss eine Polykondensation stattfinden.
Überlege, mit welchem Stoff Diole und Triole gebildet werden können.
LösungDer Weg vom Silicum zum Silicon besteht aus vielen Teilschritten.
- Zunächst reagiert das Silicium mit Chlormethan $(CH_3Cl)$. Bei dieser Reaktion entsteht zum einem Dichlormethylsilan $((CH_3)_2SiCl_2)$ und in einer parallelen Reaktion entsteht zum anderen zusätzlich Trichlormethylsilan $(CH_3SiCl_3)$.
- Die Stoffe reagieren nun mit Wasser, es findet eine Hydrolyse statt. Bei dieser Reaktion entstehen Silandiol $((CH_3)_2Si(OH)_2)$ und Silantriol $(CH_3Si(OH)_3)$. Um die Stoffe voneinander zu trennen im Gemisch, setzt man eine fraktionierte Destillation ein. Die Diole und Triole werden dadurch getrennt und gereinigt.
- Nun erfolgt die Polykondensation. Dazu reagiert ein Molekül des Diols mit einem anderen Molekül des Diols. Dabei wird Wasser abgespalten. Dieser Vorgang erfolgt mehrere hundert Male, deshalb spricht man von Polykondensation.
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Untersuche die Notwendigkeit der fraktionierten Destillation von Silandiolen und Silantriolen als Teilschritt der Siliconherstellung.
TippsWelche Hauptaufgaben haben alle Trennverfahren?
LösungDie Destillation ist ein Trennverfahren. Sie wird genutzt, um Flüssigkeiten mit verschiedenen Siedetemperaturen voneinander zu trennen.
Die Notwendigkeit der fraktionierten Destillation als Schritt in der Siliconsynthese, besteht also zu einem darin, die Silandiole und Silantriole voneinander zu trennen, damit ausschließlich Reaktionsprodukte mit gewünschtem Vernetzungsgrad entstehen und keine wilden Gemische. Weiterhin ist die Destillation notwendig, um die Ausgangsstoffe zu reinigen, damit Verunreinigungen nicht die Ausbeute schmälern oder unerwünschte Nebenreaktionen verursachen.
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Bestimme den Stoff, aus dem Silicium gewonnen werden kann.
TippsUnsere Erde besteht zu 15 Massenprozent aus Silicium.
Silicium kommt in dem Stoff als Siliciumdioxid vor.
LösungSilicium stellt eine der Grundlagen für die Herstellung von Silicon dar. Dieses chemische Element erhält man aus Sand, welcher hauptsächlich immer aus einem großen Anteil Quarz besteht. Quarz ist nur ein anderer Name für den chemischen Stoff Siliciumdioxid ($SiO_2$). Industriell wird Silicium durch die Reduktion von Quarzsand mit Koks im Lichtbogenverfahren dargestellt.
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Benenne Edukte und Produkte bei der Herstellung von Siliconkautschuk.
TippsAchte auf die funktionellen Gruppen.
Überlege, welche Stoffklasse die funktionelle Gruppe $R-COOH$ besitzt.
LösungSiliconkautschuk erhält man durch Vulkanisation linearer Silicone. Dies bedeutet, die Silicone werden mit geeigneten Reaktionspartnern vernetzt. In diesem Beispiel wird ein Silicon mit Kieselsäureester vernetzt. Ester weisen die funktionelle Gruppe $R-COO$ auf. Bei der Reaktion spaltet sich eine Säure ab, die Ethansäure, und als Hauptprodukt entsteht ein Siliconkautschuk. Es gibt aber auch noch andere Stoffe, mit denen Silicone zu Siliconkautschuk vernetzt werden können.
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