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Taktizität von Polymeren (Expertenwissen)

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André Otto
Taktizität von Polymeren (Expertenwissen)
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Beschreibung Taktizität von Polymeren (Expertenwissen)

In diesem Video wird dir das Phänomen der Taktizität eines Polymeres beschrieben und erklärt. Zu Beginn werden dazu verschiedene amorphe und kristalline Polymere beschrieben und in ihrem Verhalten in Bezug auf Erweichungspunkt und mechanische Beanspruchung charakterisiert. Danach wird das Phänomen der Taktizität definiert und auf die zu Beginn genannten Polymere angewendet. Dabei werden die verschiedenen Typen der Taktizität beschrieben und zwischen verschiedene Formen der Taktizität unterschieden, die sich auf die Substituentenstellung, die Anzahl der Substituenten bzw. die Hauptstruktur des Polymers beziehen. Im letzten Teil des Videos wird auf die Struktursteuerung von Polymeren eingegangen und dabei die Ziegler-Natta-Polymerisation bzw. Metallocene der radikalischen Polymerisation gegenübergestellt. Wenn du mehr dazu erfahren willst, dann schau dir das Video an.

Transkript Taktizität von Polymeren (Expertenwissen)

Guten Tag und herzlich willkommen! Dieses Video heißt: Taktizität von Polymeren, Leistungskurs. Der Film gehört zur Reihe Kunststoffe. Als nötiges Vorwissen solltest du das Chemiewissen der 11. Klasse beherrschen und gleichzeitig gute Kunststoffkenntnisse aus den bereits vorhandenen Videos besitzen. Mein Ziel ist es, dir in diesem Video Vorstellungen über strukturelle Möglichkeiten von Polymermolekülen zu vermitteln und ihre Eigenschaften daran zu erklären. Der Film ist in 7 Abschnitte unterteilt:

  1. Kristallin oder amorph
  2. Regelmäßig oder unregelmäßig
  3. Taktizität und Eigenschaften
  4. Kautschuk und Guttapercha
  5. Höhere Kapazitäten
  6. Kann man isotaktische Polymere synthetisieren?
  7. Zusammenfassung  
  8. Kristallin oder amorph Schauen wir uns einmal dieses kleine Grüppchen von Kunststoffen an. Polyethylen, Polyoxymethylen und Polytetrafluorethylen. Diese drei Polymere sind kristallin. Auf der anderen Seite betrachten wir Polyvinylchlorid, Polystyrol und Polyvinylfluorid. Diese 3 Kunststoffe sind amorph. Warum ist das so? Dieser Frage wollen wir in dem Video nachgehen.

  9. Regelmäßig oder unregelmäßig Häufig kann man die physikalischen Eigenschaften mit der Struktur erklären. Schauen wir uns einmal diese Polymerstruktur an, sie ist regelmäßig. Es handelt sich hierbei um Polyethylen. Regelmäßige Strukturen zeigen auch Polyoxymethylen und Polytetrafluorethylen. Ist ein Substituent vorhanden, gibt es auch eine regelmäßige Struktur. Hier handelt es sich um Polyvinylchlorid. Auch bei Polystyrol und Polyvinylfluorid finden wir diese Regelmäßigkeit. Diese Molekülstruktur nennt man isotaktisch. Wenn der Substituent die Seiten wechselt, so nennt man die entsprechende Struktur syndiotaktisch. Der 3. Fall tritt ein, wenn der Substituent unregelmäßig an der Kette angeordnet ist. Dann nennt man die Struktur ataktisch.

  10. Taktizität und Eigenschaften In der Praxis hat man es meist mit isotaktischen oder ataktischen Strukturen zu tun. Bei der isotaktischen Struktur ist der Substituent jeweils auf der einen Seite der Kette. Bei der ataktischen Struktur ist der Substituent unregelmäßig auf beiden Seiten der Kette angeordnet. Im Ergebnis ist die Kristallinität beider Strukturen verschieden. Isotaktische Polymere sind meistenteils kristallin. Ataktische Polymere sind amorph. Die Erweichungstemperatur bei isotaktischen Polymeren ist relativ hoch. Dem gegenüber haben ataktische Polymere eine relativ niedrige Erweichungstemperatur. Auch die mechanische Beständigkeit zeigt Unterschiede. Isotaktische Polymere sind innerhalb der Kunststoffe relativ beständig. Die Beständigkeit bei ataktischen Kunststoffen ist erheblich geringer. Ich möchte noch einmal betonen, dass alle Eigenschaften relativ und im Vergleich zu anderen Polymeren zu verstehen sind.

  11. Kautschuk und Guttapercha Nach wie vor ist Naturkautschuk ein wichtiger Rohstoff für Gummi. Das sind die Blätter des Kautschukbaumes. Hier sieht man einen Kautschukbaum innerhalb einer Plantage. Und so wird Latex gewonnen. Einen Teil des Naturkautschuks nennt man einfach Kautschuk oder Gummi. Ein Ausschnitt des Polymers lässt sich mit dieser Formel darstellen. Das Gummimolekül ist cis-taktisch. Die cis-Orientierung bezieht sich auf die Ausrichtung der Hauptkette. Neben dem Kautschukmolekül gibt es auch dieses Molekül. Die entsprechende Verbindung heißt Guttapercha. Man erhält sie bei der Gewinnung von Naturkautschuk. Guttapercha hat die Konsistenz eines Harzes. Heute hat Guttapercha nur Bedeutung in der Seidentuchmalerei und in der Zahnmedizin. Das Guttaperchamolekül ist trans-taktisch aufgebaut. Die trans-Stellung bezieht sich auf die Ausrichtung der Hauptkette.
  12. Höhere Taktizitäten Der Grad der Taktizität wird durch die Zahl der asymmetrischen Zentren bestimmt. Betrachten wir Vinylchlorid. In einer Polymereinheit findet man ein chirales Zentrum. Die Einheit des Fluorchlorpolyethylens besitzt zwei asymmetrische Zentren. Demzufolge ist das 1. Polymer monotaktisch und das 2. ditaktisch. Es folgen tritaktisch, tetrataktisch und so weiter. Wir wollen den ditaktischen Fall kurz besprechen. Sind in der polymeren Einheit die Substituenten auf unterschiedlichen Seiten angeordnet, so spricht man von erythro. Liegen die Substituenten auf der gleichen Seite, so nennt man die Struktur threo. Im 1. Fall sieht ein Ausschnitt der Polymerkette vereinfacht so aus. Das Makromolekül ist erythro-di-isotaktisch. Bei der threo Konfiguration sieht ein Ausschnitt aus dem Polymermolekül so aus. Alle Substituenten liegen auf der gleichen Seite des Makromoleküls. Die Struktur ist threo-di-isotaktisch.
  13. Kann man isotaktische Polymere synthetisieren? Nehmen wir ein einfach substituiertes Ethylenmolekül und lassen es substituieren. Bei der radikalischen Polymerisation erhält man eine unregelmäßige Struktur. Eine solche unregelmäßige Struktur haben wir als ataktisch bezeichnet. Arbeitet man katalytisch, so erhält man eine isotaktische Struktur. 2 Möglichkeiten der Katalyse gibt es. Zum einen, den Ziegler/Natta Katalysator, der aus einem Gemisch von Triethylaluminium und Titan 4 Chlorid besteht. Die 2. Möglichkeit ist die Katalyse durch sogenannte Metallocene, Kaminsky Katalysatoren.
  14. Zusammenfassung Bei der Taktizität unterscheidet man zwischen isotaktisch, syndiotaktisch und ataktisch. Im 1. Fall ist der Substituent immer auf der gleichen Seite der Kette angeordnet. Im 2. Fall wechselt er ständig die Seiten der Kette. Im 3. Fall ist er stochastisch angeordnet. Isotaktische Polymere sind kristallin und haben einen hohen Erweichungspunkt. Ataktische Polymere sind amorph und haben einen relativ niedrigen Erweichungspunkt. Isotaktische Polymere sind mechanisch mehr belastbar als ataktische. Außerdem trifft man Kunststoffe an, die cis-taktisch sind, wie zum Beispiel natürlichen Kautschuk. Trans-taktisch ist das entsprechende Isomer: Guttapercha. Bei ditaktischen Polymeren trifft man die Anordnungen threo und erythro. Die radikale Polymerisation liefert ataktische Polymere, während eine katalytische Polymerisation isotaktische Polymere ergibt. Als Katalysatoren werden der Ziegler/Natta Katalysator oder Kaminsky Katalysatoren verwendet. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen!

Taktizität von Polymeren (Expertenwissen) Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Taktizität von Polymeren (Expertenwissen) kannst du es wiederholen und üben.
  • Bestimme die Taktizität der Polyvinylchlorid-Moleküle.

    Tipps

    Iso ist eine griechische Vorsilbe mit der Bedeutung gleich.

    Lösung

    Mit der Taktizität bezeichnet man bei Polymeren aus Kohlenstoffketten mit unterschiedlichen Substituenten die Stellung der Substituenten. Es ergeben sich drei unterschiedliche Anordnungen:

    • Bei der isotaktischen Anordnung zeigen die Substituenten wie in der zweiten Abbildung alle in die gleiche Richtung.
    • Bei der syndiotaktischen Anordnung zeigen die Substituenten abwechselnd in die beiden möglichen Raumrichtungen, wie dies am Beispiel des syn-Polyvinylchlorids in der dritten Abbildung gezeichnet ist.
    • Bei der ataktischen Anordnung schließlich gibt es keine klare Ordnung, die Substituenten zeigen zufällig verteilt in alle Raumrichtungen. Dies ist in der obersten Abbildung gezeigt.

  • Gib die amorphen Kunststoffe an.

    Tipps

    Ataktische Polymere bilden amorphe Feststoffe.

    Lösung

    Kristalline Strukturen können sich ausbilden, wenn zwischen den Molekülen in sich wiederholenden Mustern Wechselwirkungen bestehen können. Dann ordnen sich die Moleküle in unendlichen Wiederholungen der gleichen Ordnung an und man spricht von kristalliner Ordnung. In makroskopischer Ebene äußert sich dies in regelmäßigen Oberflächen sowie gleichmäßig angeordneten Kanten und Ecken.

    Sind in einem Feststoff Moleküle vorhanden, die unterschiedlich angeordnet sind, können sich keine regelmäßig wiederholenden Wechselwirkungen ausbilden und die Moleküle ordnen sich dementsprechend im Festkörper nicht regelmäßig an. Die Moleküle nehmen Positionen ein, in denen sie die größtmöglichen Wechselwirkungen eingehen können. In diesem Fall spricht man von amorphen Festkörpern.

    Bei den Molekülen Polyethylen, Polytetrafluorethylen und Polyoxymethylen können sich die Moleküle in nur einer Art und Weise anordnen, sie kristallisieren daher. Bei den übrigen Verbindungen handelt es sich um chirale Monomere, die unterschiedliche Konfigurationen einnehmen können. Daher können sie amorphe Feststoffe bilden.

  • Prüfe, welche Polymere in unterschiedlicher Taktizität vorliegen können.

    Tipps

    Alkene können in cis- oder trans-Konfiguration verknüpft werden.

    Lösung

    Asymmetrie in Monomeren kann durch unterschiedliche Seitenketten oder Substituenten bei benachbarten C-Atomen entstehen. Dies ist bei den Verbindungen oben links und unten in der Mitte der Fall. Da es sich also um asymmetrische Monomere handelt, kann das Polymer in unterschiedlicher Taktizität vorliegen.

    Bei der Verbindung rechts tragen die beiden unterschiedlichen C-Atome zwei unterschiedliche Substituenten. Da sich die beiden Substituenten an beiden Kohlenstoffatomen jedoch nicht unterscheiden, handelt es sich um ein symmetrisches Monomer, das Polymer kann nur in einer Form vorliegen.

    Schwieriger zu interpretieren ist das Molekül oben in der Mitte. Es kann sich um die C-C-Bindungen drehen und so kann die Kette in cis- oder trans-Stellung fortgesetzt werden. Die unterschiedlichen Formen lassen sich jedoch durch Drehungen um C-C-Einfachbindungen ineinander überführen, daher handelt es sich nicht um unterschiedliche Konfigurationen. Es ist kein chirales Zentrum vorhanden, folglich ist das Monomer symmetrisch.

    Bei der Verbindung unten links handelt es sich um ein Polybutadien. Eine Drehung um die C-C-Doppelbindung ist nicht möglich, daher kann die Kette in cis- oder trans-Stellung fortgeführt werden. Es handelt sich um zwei unterschiedliche Konfigurationsisomere. Das Monomer ist damit asymmetrisch, es können wie bei Naturkautschuk und Guttapercha Polymere mit unterschiedlicher Taktizität vorliegen.

  • Entscheide, um welche Konfiguration es sich handelt.

    Tipps

    cis = zusammen

    trans = gegenüber

    Lösung

    Das Monomer, aus dem das Polymer aufgebaut ist, enthält eine Doppelbindung. Die Kette wird jeweils in trans-Stellung fortgesetzt, daher handelt es sich um ein trans-taktisches Polymer.

    Zusätzlich enthält das Monomer zwei asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome. An eines ist ein Chlor-Substituent gebunden, an das andere ein Fluor-Substituent. Da sich beide Substituenten auf gegenüberliegenden Seiten des Polymergerüsts befinden, lässt sich dies mit der Bezeichnung erythro-di-taktisch beschreiben.

    Da diese Konfiguration in allen Monomer-Einheiten des Polymers eingenommen wird, handelt es sich um ein isotaktisches Polymer.

  • Definiere die Begriffe isotaktisch und ataktisch.

    Tipps

    Das Wort Taktik kommt aus dem Altgriechischen und bedeutet soviel wie Kunst, ein Heer in Schlachtordnung zu stellen. Das Prinzip geordneter Schlachtreihen lässt sich auch auf Polymere anwenden.

    Die Vorsilbe Iso bedeutet gleich.

    Lösung

    Polymere bestehen aus Monomeren, die strikt symmetrisch gebaut sein können. In diesem Fall gibt es nur eine Möglichkeit, die Monomere im Molekül anzuordnen.

    Sind die Monomere asymmetrisch gebaut, gibt es mehrere mögliche Anordnungen. Die Anzahl der Möglichkeiten hängt davon ab, wie viele asymmetrische Zentren es in einem Monomer gibt. Asymmetrie der Monomere kann durch unterschiedliche Substituenten an benachbarten C-Atomen oder durch unterschiedliche Seitenketten erzeugt werden. Aber auch Doppelbindungen können durch cis- oder trans-Stellung zu Asymmetrie führen.

    Die Ordnung im Molekül ist am höchsten, wenn alle asymmetrischen Zentren der Monomere im Polymer gleich ausgerichtet sind. In diesem Fall spricht man von einem isotaktischen Molekül. Der Name leitet sich von der griechischen Vorsilbe Iso für gleich und dem Wort Taktik ab, mit dem die Kunst, ein Heer in Schlachtordnung zu stellen bezeichnet wird. Eine gleich ausgerichtete „Schlachtreihe“ ergibt sich, wenn alle asymmetrischen Substituenten in die gleiche Richtung zeigen.

    Das Gegenteil davon ist eine zufällige Anordnung der asymmetrischen Substituenten. Dies bezeichnet man als ataktisches Polymer.

  • Leite die Eigenschaften des syndiotaktischen Polystyrols ab.

    Tipps

    Symmetrisch gebaute Moleküle sind im festen Zustand meist kristallin.

    Lösung

    Syndiotaktisches Polystyrol ist, wie die Abbildung zeigt, sehr symmetrisch gebaut. Die beiden unterschiedlich ausgerichteten Monomere wechseln sich ab. Es entsteht daher eine Wiederholungseinheit, die zwei Styrol-Monomere umfasst. Daher kristallisiert es wie das isotaktische Polystyrol. Es hat einen hohen Schmelzpunkt, der mit 240°C jedoch unter dem von isotaktischem Polystyrol liegt. Die Wechselwirkungen zwischen den Polymer-Molekülen sind also auf Grund der geringeren Symmetrie des Moleküls geringer.

    In den übrigen Eigenschaften ähnelt es auch der isotaktischen Variante dieses Kunststoffes:

    • Es ist sehr hart, aber auch spröde.
    • Die kristalline Struktur des Feststoffes lässt nur wenig Licht durch, daher ist syndiotaktisches Polystyrol opak.
    • Bei einer radikalischen Polymerisation werden die Monomere in zufälligen Mustern aneinander gereiht. Um die gewünschte hohe Ordnung zu erzielen, muss bei der Synthese ein geeigneter Katalysator eingesetzt werden.

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