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Taktizität von Polymeren 06:08 min

Textversion des Videos

Transkript Taktizität von Polymeren

Guten Tag und herzlich willkommen. Dieses Video heißt „Taktizität von Polymeren - Grundkurs“. Der Film gehört zur Reihe „Kunststoffe“. Als Vorkenntnisse für diesen Film solltet ihr vor allem Kenntnisse wichtiger Kunststoffe mitbringen. Mein Ziel ist es, dass ihr in diesem Video ein Verständnis der Taktizität erlangt. Den Film habe ich in fünf Abschnitte untergliedert. Erstens: kristalline und amorphe Polymere, Zweitens: die Struktur bestimmt den Unterschied, Drittens: Taktizität, Viertens: Struktursteuerung und Fünftens: Zusammenfassung. Erstens: kristalline und amorphe Polymere. Die Vielzahl der Polymere kann man in zwei kleine Grüppchen zu jeweils drei Vertretern anordnen. Zum einen haben wir Polyethylen, Polyoxymethylen und Polytetrafluorethylen. Zum anderen Grüppchen gehören die Kunststoffe Polyvinylchlorid, Polystyrol und Polyvinylfluorid. Die drei linken Vertreter tauchen meistens kristallin auf, während die drei rechten Vertreter meist amorph sind. Welche Erklärung kann man für diese unterschiedlichen Eigenschaften liefern? Zweitens: die Struktur bestimmt den Unterschied. Wenn wir uns die Polymere, die ich rechts dargestellt hatte, einmal anschauen, so können wir für sie unterschiedliche Strukturen feststellen. Nehmen wir einmal an, wir haben es mit Polyvinylchlorid zu tun. Dann können wir einmal eine statistische, das heißt unregelmäßige Anordnung der Substituenten feststellen. Wenn alle Substituenten in die gleiche Richtung zeigen, haben wir eine regelmäßige Anordnung. Vergleichen wir einmal beide Anordnungen, unregelmäßig und regelmäßig. Wie schaut es mit der Kristallinität aus? In einem Fall ist die Kristallinität hoch. Klar ist, dass hier die Anordnung nicht unregelmäßig, sondern regelmäßig ist. Bei der unregelmäßigen Struktur sind die Polymerstränge zufällig im Raum angeordnet. Im engen Zusammenhang damit steht die entsprechende Erweichungstemperatur, für eine regelmäßige strukturelle Anordnung ist sie relativ hoch, bei einer unregelmäßigen molekularen Struktur ist sie ungleich niedriger. Mechanische Beanspruchung führt bei regelmäßigen Strukturen seltener zum Bruch als das bei unregelmäßigen Strukturen der Fall ist. Und nun kommen wir zum Kernpunkt des Videos, Drittens: Taktizität. Für Polymere ohne Substituenten an der Kette ist der Begriff der Taktizität sinnlos. Dazu gehören die Polymere, die ich am Anfang links abgebildet hatte, Polyethylen, Polyoxymethylen und Polytetrafluorethylen, mit Markennamen Teflon. Diese Kunststoffe sind strukturbedingt regelmäßig aufgebaut, daher sind sie kristallin, relativ hochschmelzend und widerstandsfähig gegen mechanische Beanspruchung. Für Polymere mit einem Substituenten in der Einheit, zum Beispiel Polyvinylchlorid, gibt es drei mögliche Strukturen. Schaut euch einmal bitte diese drei Strukturen an. Die erste nennt man isotaktisch, diese hier heißt syndiotaktisch und schließlich diese Struktur bezeichnet man als ataktisch. Bei der isotaktischen Struktur liegen die Substituenten auf einer Seite, bei der syndiotaktischen Struktur wechseln die Substituenten die Seiten regelmäßig, bei der ataktischen Struktur sind die Substituenten unregelmäßig angeordnet. Wir stellen fest: regelmäßig bedeutet isotaktisch oder syndiotaktisch, während unregelmäßig ataktisch heißt. Durch radikalische Polymerisation hergestelltes Polyvinylchlorid ist ataktisch. Der so hergestellte Kunststoff ist amorph, hat einen niedrigen Erweichungspunkt und ist mechanisch labil. Viertens: Struktursteuerung. Gibt es nun vielleicht doch die Möglichkeit, isotaktisches Polyvinylchlorid herzustellen? Für die Herstellung von Polyvinylchlorid benötigen wir Vinylchlorid. Es kommt zur Polymerisation. Wenn wir einen Initiator verwenden, bedeutet das, dass die Reaktion radikalisch abläuft, in diesem Fall erhalten wir einen Kunststoff mit ataktischer Struktur. Anders verhält es sich, wenn man einen Katalysator benutzt, ein Gemisch aus Triethylaluminium und Titan(IV)-chlorid. Diesen Katalysator bezeichnet man auch als Ziegler-Natta-Katalysator. Im Ergebnis erhält man eine wunderschöne isotaktische Struktur des Kunststoffs. Wir merken uns: Die radikalische Polymerisation liefert ein ataktisches, das heißt unregelmäßig gebautes, Makromolekül, bei Polymerisation mit Ziegler-Natta-Katalysator ist das Makromolekül isotaktisch. All das Gesagte gilt natürlich auch für andere Substituenten. Fünftens: Zusammenfassung. Isotaktische Polymere sind regelmäßig aufgebaut, ataktische unregelmäßig. Im ersten Fall schmilzt der Kunststoff relativ hoch, im zweiten relativ niedrig. Isotaktische Kunststoffe sind meist kristallin, ataktische meist amorph. Gegenüber mechanischer Beanspruchung sind isotaktische Polymere beständiger als ataktische. Isotaktische Polymere kann man durch den Einsatz von Ziegler-Natta-Katalysatoren verwenden, ataktische Polymere entstehen bei der herkömmlichen radikalischen Polymerisation. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen!

Taktizität von Polymeren Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Taktizität von Polymeren kannst du es wiederholen und üben.

  • Erkenne wichtige Eigenschaften von Polymeren mit regelmäßigen und unregelmäßigen Strukturen.

    Tipps

    Kristallinität bedeutet Regelmäßigkeit in der atomaren Anordnung.

    Stoffe mit unregelmäßigem molekularen Aufbau sind mechanisch unbeständig.

    Lösung

    Polymere mit regelmäßiger atomarer Anordnung sind häufig energetisch stabiler als Polymere, deren Atome unregelmäßig angeordnet sind. Die Regelmäßigkeit führt daher oft zur Kristallinität, zu höheren Erweichungstemperaturen und zu einer höheren mechanischen Beständigkeit. Polymere mit stochastischer atomarer Anordnung hingegen erweichen bei niedrigeren Temperaturen. Die Bindungen zwischen den Teilchen sind schwächer und ihre mechanische Beständigkeit ist geringer.

  • Beschreibe den Begriff der Taktizität.

    Tipps

    Grob gesprochen: isotaktisch = gleich angeordnet

    Grob gesprochen: ataktisch = nicht angeordnet

    Lösung

    Die griechischen Vorsilben helfen weiter. Isotaktisch heißt Anordnung des Substituenten auf einer Seite des Polymers. Ataktisch bedeutet eine unregelmäßige Substituentenanordnung. Sagt man syndiotaktisch, so wechselt der Substituent ständig die Seite. Ist ein Substituent (je Monomer) vorhanden, so hat man verschiedene räumliche Strukturen. Wir sprechen dann von Taktizität. Der Begriff der Taktizität verliert seinen Sinn, wenn keines der Wasserstoff-Atome substituiert ist. Es gibt dann keine unterschiedlichen atomaren Anordnungen im Molekül.

  • Beschreibe die wichtigen Merkmale einer radikalischen Polymerisation.

    Tipps

    Eine radikalische Polymerisation benötigt eine hohe Energiezufuhr.

    Eine radikalische Polymerisation liefert häufig eine unregelmäßige Struktur.

    Es gibt nur eine Taktizität, die einer unregelmäßigen Struktur entspricht.

    Lösung

    Der radikalische Weg zum Polymer ist energetisch anspruchsvoll. Man benötigt hohe Temperaturen, auch um den Initiator zu aktivieren. Ein Inhibitor hingegen liefert keine Radikale, er „schluckt“ sie. Der Initiator ist kein Katalysator, da er sich während der Reaktion verbraucht. Man verwendet hohe Drücke, um dem gasförmigen Edukt eine höhere Konzentration zu verleihen. Dadurch wird die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht. Da eine radikalische Reaktion schnell abläuft, ist das Polymer nicht von einheitlicher (regelmäßiger) Struktur. Das entstehende Stellungsmuster des Chlor-Atoms wird als ataktisch bezeichnet. Eine solche Verbindung ist amorph, nicht kristallin.

  • Bestimme die Taktizitäten in folgenden Polymeren.

    Tipps

    Taktizität bedeutet Ausrichtung der Substituenten.

    Isotaktisch heiß Gleichausrichtung.

    Syndiotaktisch heißt alternierend.

    Lösung

    Das Polymer im Bild besitzt eine syndiotaktische Struktur. Die Substituenten $-R$ wechseln sich in ihrer Ausrichtung fortlaufend ab.

    Die Struktur ist ataktisch, wenn die Substituenten $-R$ unregelmäßig angeordnet sind.

    Wenn die Substituenten $-R$ alle auf der gleichen Seite der Polymerenkette liegen, ist die Struktur isotaktisch.

  • Benenne einige Polymere als kristallin oder amorph.

    Tipps

    Kristallin sind Polymere meist dann, wenn sie aus sehr regelmäßigen Strukturelementen bestehen.

    Amorph liegen Polymere häufig vor, wenn die Symmetrie der Strukturelemente durch Substituenten „gestört“ wird.

    Sind alle Wasserstoff-Atome des Monomers gleich substituiert, bleibt die Regelmäßigkeit (Symmetrie) des Polymers erhalten.

    Lösung

    Tatsächlich ist es so, dass die regelmäßig aufgebauten Polymere als Feststoff kristallin auftreten. Das trifft auf Polyethylen, Polyoxymethylen und Polytetrafluorethylen zu. Bei den ersten beiden Vertretern wird die Regelmäßigkeit der Anordnung nicht gestört, da alle Wasserstoff-Atome unsubstituiert sind. Das Molekül des Polytetrafluorethylens enthält an der Kohlenstoff-Kette ausschließlich Fluor-Atome anstelle der Wasserstoff-Atome im Polyethylen. Die regelmäßige Struktur bleibt erhalten. Anders verhält es sich mit Polyvinylchlorid, Polystyrol und Polyvinylfluorid. Die jeweils einfache Substitution des Monomers führt zu einer Störung der Regelmäßigkeit in der Struktur. Die Polymere können keine kristalline Struktur aufbauen. Sie bleiben pulverförmig, amorph.

  • Beschreibe den Mechanismus einer katalytischen Polymerisation.

    Tipps

    Ein Kation ist ein positiv geladenes Ion.

    Kettenwachstum funktioniert von klein nach groß.

    Aus einem Ion und einem Neutralteilchen entsteht wieder ein Ion.

    Beim Abbruch der Reaktion wird der Katalysator rückgebildet.

    Wenn die Reaktion stoppt, muss die Polymerkette an einer Stelle ungesättigt sein.

    Lösung
    1. Das Wasserstoff-Ion reagiert elektrophil mit der Doppelbindung des Ethen-Moleküls. Es entsteht ein Ethyl-Kation. ${H^{\oplus}}+{C{H_2}=C{H_2}}\longrightarrow{C{H_3}-C{H_2}^{\oplus}}$
    2. Das gebildete Ethyl-Kation reagiert mit einem weiteren Ethen-Molekül zu einem n-Butyl-Kation. $C{H_3}-C{H_2}^{\oplus} + C{H_2}=C{H_2} \longrightarrow$ $C{H_3}C{H_2}C{H_2}C{H_2}^{\oplus}$
    3. Das gebildete n-Butyl-Kation reagiert mit einem weiteren Ethen-Molekül zu einem n-Hexyl-Kation. $C{H_3}C{H_2}C{H_2}C{H_2}^{\oplus} + C{H_2}=C{H_2} \longrightarrow$ $C{H_3}C{H_2}C{H_2}C{H_2}C{H_2}C{H_2}^{\oplus}$
    4. Beim Abbruch der Reaktion an dieser Stelle spaltet das Hexyl-Kation das Wasserstoff-Ion ab. Es entsteht ein Molekül von Hex-1-en. $C{H_3}C{H_2}C{H_2}C{H_2}C{H_2}C{H_2}^{\oplus} \longrightarrow$$C{H_3}C{H_2}C{H_2}C{H_2}C{H}=C{H_2}+ {H^{\oplus}}$