Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere (Vertiefungswissen)

Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere (Vertiefungswissen) Übung

• Beschreibe die Eigenschaften der verschiedenen Kunststofftypen.

  Tipps

  Ein Beispiel für Thermoplaste sind Plastepfandflaschen. Überlege dir anhand dieses Beispiels die Eigenschaften von Thermoplasten.

  Ein Gummiband ist ein Beispiel für ein Elastomer.

  Lösung

  Thermoplaste
  Am einfachsten ist es, sich für jede Art von Kunststoff ein konkretes Beispiel vorzustellen und an diesem die Eigenschaften abzuleiten. Eine gewöhnliche Pfandflasche ist aus einem Thermoplast gefertigt. Wenn man versucht, eine solche Flasche etwas einzudrücken, stellt man fest, dass sie gut verformbar ist. Sie ist allerdings weder besonders weich, noch besonders hart. Man könnte sagen, sie besitzt eine mittlere Härte. Hergestellt werden solche Flaschen aus weichem, warmen Thermoplast, der ohne Probleme warm pressbar ist.

  Duroplaste
  Ein gutes Beispiel für einen Duroplast ist eine solide Plastikschüssel. Im Vergleich zu anderen Kunststoffen ist der Duroplast eher hart. Versucht man die Schüssel zu erhitzen, wird sie nicht weicher, sondern wird sich irgendwann zersetzen. Man kann sie also nicht pressen.

  Elastomere
  Wer schon einmal eine Siliconbackform oder einen Gummi in der Hand hatte, weiß, dass diese Elastomere sehr weich sind. Außerdem sind sie bekannt dafür, sich sehr gut verformen zu lassen.

• Bestimme die Kunststoffe, zu denen folgende Beispiele gehören.

  Tipps

  Jedem Oberbegriff müssen genau drei Beispiele zugeordnet werden.

  Elastomere sind sehr weich.

  Lösung

  Thermoplaste

  Zu dieser Kunststoffklasse gehören Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC) und Polyester. Aus Polyethylen werden beispielsweise Folien und aus Polyvinylchlorid Rohre gefertigt. Polyester ist ein Sammelbegriff für viele, ähnliche Kunststoffe. Alle drei hier genannten Kunststoffe sind gut verformbar und erweichen bei höheren Temperaturen.

  Duroplaste

  Zu dieser Gruppe gehören die Stoffe Aminoplast, Phenoplast und Epoxidharz. Sie sind allesamt nicht schmelzbar (sie zersetzen sich bei hohen Temperaturen) und sehr hart – daher die Bezeichnung Duroplaste (dur im Französischen bedeutet hart).

  Elastomere

  Zur letzten Gruppe gehören Silikon, Polyurethan und Kautschuk. Kautschuk findet Verwendung bei der Herstellung von Gummibändern und Silikon wird unter anderem genutzt für verformbare Backformen. Die Eigenschaft Elastizität verbindet alle diese Stoffe. Auch Polyurethan kann ein Elastomer sein, z.B. als Weichschaum für Matratzen.

• Ermittle die vollständige Strukturformel von PET.

  Tipps

  Es handelt sich um einen Polyester. Die Estergruppe als funktionelle Gruppe taucht also in diesem Molekül als Wiederholungseinheit auf.

  Überprüfe, ob alle Kohlenstoffatome ihr Elektronenoktett erreicht haben.

  Bei PET handelt es sich um eine Polymer, das aus einer großen Anzahl miteinander verknüpfter Wiederholungseinheiten aufgebaut ist. Die Wiederholungseinheit ist hier in eckigen Klammern abgebildet. Die Anzahl der verknüpften Wiederholungseinheiten kann nicht genau mit einer Zahl angegeben werden.

  Lösung

  Lücke links und Mitte links

  In einem Polyester kommt die Estergruppe -COO in jeder Wiederholungseinheit mindestens einmal vor. Im PET-Molekül ist sie sogar zwei Mal zu finden. In beiden Estergruppen fehlt jeweils ein anderes Sauerstoffatom O, welches einzusetzen ist.

  Lücke Mitte rechts

  Das Kohlenstoffatom, welches direkt rechts an die rechte Estergruppe bindet, geht weiterhin eine Bindung zu einem Wasserstoffatom und zum benachbarten Kohlenstoffatom ein. Dies ergibt drei Bindungen für dieses Kohlenstoffatom. Kohlenstoff ist allerdings vierbindig und benötigt demnach noch eine weitere Bindung, um stabil zu sein. In die Lücke muss die Zahl 2 eingetragen werden, dann hat das Kohlenstoffatom eine weitere Bindung zu einem Wasserstoffatom und ist vierbindig und stabil.

  Lücke rechts

  Da sich die Wiederholungseinheit sehr oft wiederholt und man keine genaue Zahl angeben kann, hat sich der Buchstabe n etabliert. Er symbolisiert eine große, natürliche Zahl.

• Erkläre die Eigenschaften eines Thermoplasts anhand seines Aufbaus.

  Tipps

  In der schematischen Darstellung für Duroplasten würden sich zwischen den Polymersträngen noch Querverbindungen befinden. Überlege dir, wie dieser Unterschied in der Struktur für einen Unterschied in den Eigenschaften zwischen Thermoplasten und Duroplasten sorgt.

  Die länglichen Molekülstränge stellen lange Kohlenwasserstoffketten dar und sind somit unpolar.

  Lösung

  Thermoplaste sind bei höheren Temperaturen verformbar, denn man kann ihre Polymerketten sehr leicht gegeneinander verschieben und somit eine Verformung erreichen. Sie bestehen aus vielen, langen Polymerketten, die nicht untereinander verknüpft sind. Aufgrund der van-der-Waals-Bindungen halten diese unpolaren Makromoleküle bei Raumtemperatur trotzdem zusammen und sorgen für den festen Aggregatzustand. Erst wenn die Temperatur ansteigt, werden allmählich die schwachen Kräfte zwischen den Ketten überwunden und der Thermoplast beginnt, sich zu verformen und schließlich komplett in den flüssigen Aggregatzustand überzugehen.

  In Wasser lösen sich Thermoplasten nicht auf. Die polaren Wassermoleküle müssten dafür die einzelnen Molekülstränge umgeben. Das bringt den Wassermolekülen allerdings keinen energetischen Gewinn, da die Polymerketten nicht polar sind. Die Wassermoleküle bilden lieber große Aggregate untereinander aus.

  Elastomere dagegen bestehen aus einem Netz verknüpfter Polymerketten. Die Besonderheit des Netzes aus Polymerketten ist, dass viele dieser Polymerketten wesentlich länger sind als der Abstand zwischen zwei Verknüpfungspunkten und sich deshalb große Schlaufen bilden. Ohne großen mechanischen Aufwand können die Schlaufen straff gezogen werden. Das passiert auf Teilchenebene, wenn jemand ein Gummiband auseinander zieht.

  Duroplasten sind aus querverknüpften Polymersträngen aufgebaut. Im Gegensatz zu den Elastomeren sind die Ketten zwischen zwei Verknüpfungspunkten beinahe Geraden und es gibt kaum Spielraum für Elastizität.

• Benenne die einzelnen Kunststoffe.

  Tipps

  Von den Kunststoffklassen Thermoplast, Duroplast und Elastomer ist jeweils ein Vertreter gesucht.

  Schaue dir die Bilder zu jedem Wortsalat an und überlege dir, welche Eigenschaften die dargestellten Gegenstände haben und welche Name von Kunststoffvertretern dafür in Frage kommen.

  Die Reifen sind gummiartig, die Plastetüte ist gut verformbar und die Plasteschüssel ist ziemlich hart.

  Lösung

  Bild 1

  Ein Reifen muss viel Gewicht aushalten und trotzdem bei hohen Geschwindigkeiten Bestand haben. Durch seine Elastizität kann er die Kraft, die auf ihn wirkt, absorbieren, und danach wieder in seinen Ausgangszustand zurückgehen. Er darf sich also nicht dauerhaft verformen wie ein Thermoplast, weil sonst der Reifen nicht mehr rund laufen würde. Und er darf auch nicht hart sein wie ein Duroplast, weil er sonst zu brechen droht. Typischerweise wird ein Reifen aus dem Elastomer Kautschuk hergestellt.

  Bild 2

  Plastetüten passen sich sehr gut dem Inhalt an, der transportiert werden soll. Sie sind also gut verformbar. Nur weil sie bei Wärme sehr weich werden, lassen sie sich überhaupt erst so dünn ausziehen. Es handelt sich also um einen Thermoplasten und zwar um den für Verpackungen am häufigsten Verwendeten namens Polyethylen.

  Bild 3

  Die dargestellte Plasteschüssel muss vor allem eine Eigenschaft aufweisen: Festigkeit bzw. Härte. Sie soll sich, wenn man aus ihr isst, natürlich nicht verformen und das auch nicht bei höheren Temperaturen, wie sie in der Spülmaschine vorherrschen. Es handelt sich bei dem gesuchten Wort um den Duroplast Aminoplast.

• Bestimme den Massenanteil der Elemente im Silicon.

  Tipps

  Um den Massenanteil eines Elementes in einem Molekül zu bestimmen, muss man wissen, wie schwer jedes einzelne Atom ist (Atommasse bzw. molare Masse) und wie viele Atome dieses Elements im Verhältnis zur Gesamtzahl der Atome des Moleküls vorliegen.

  Es ist nicht wichtig zu wissen, wie groß n ist, denn das Verhältnis der Atome ist unabhängig davon, ob n = 1 , 3 oder 10 000 ist.

  Will man beispielsweise den Massenanteil von Kohlenstoff im Silicon berechnen, so genügt es, sich auf eine Wiederholungseinheit des Silicons zu beschränken.

  Die Massenanteile aller Elemente müssen zusammen 100% ergeben.

  Lösung

  Schritt 1: Analyse der Strukturformel

  Silicon ist ein Polymer, das aus der rechts abgebildeten Wiederholungseinheit besteht. Für die Bestimmung der Massenanteile von Silicium, Sauerstoff, Wasserstoff und Kohlenstoff ist es irrelevant, wie viele Wiederholungseinheiten wir in die Berechnung einbeziehen.

  Wollen wir zum Beispiel den Massenanteil für Silicium berechnen, so setzen wir die Masse aller Siliciumatome ins Verhältnis zur Gesamtmasse. Setzen wir die Anzahl der Wiederholungseinheiten n = 1 , ist folgende Anzahl von Atomen insgesamt vorhanden: 2 Kohlenstoffatome, 1 Sauerstoffatom, 1 Siliciumatom und 6 Wasserstoffatome. Das bedeutet für das Massenverhältnis von Kohlenstoff:

  $ \omega (Si) = \frac {2~m (C) }{ 2~m(C) + 6~m(H) + m(O) + m(Si)} $

  Schritt 2: Bestimmung der Masse eines Elements

  Wir wollen diesen Schritt am Beispiel des Elements Kohlenstoff durchrechnen. Die Masse aller anderen Elemente kann auf die gleiche Art berechnet werden.

  Zuerst muss man im Periodensystem der Elemente die molare Masse von Kohlenstoff ablesen. $ M(C) = 12~ \frac {g}{mol} $.

  2 mol Kohlenstoff haben also eine Masse von 24 g.

  Schritt 3: Massenverhältnis bestimmen

  Uns interessiert hier nicht die Masse eines Elements, sondern sein Anteil an der Gesamtmasse. Wir müssen also das Verhältnis bilden aus der Masse von beispielsweise Kohlenstoff und der Gesamtmasse.

  $ \omega (C) = \frac{m(C)}{m(gesamt)} $

  Um die Gesamtmasse zu berechnen, muss man die jeweiligen molaren Massen mit der Anzahl der Atome dieser Atomsorte multiplizieren und alle Massen aufsummieren. Es ergibt sich:

  $ m(gesamt) = m(C) + m(Si) + m(O) + m(H) $
  $ m(gesamt) = 2~mol \cdot 12~ \frac {g}{mol} + 1~mol \cdot 28~ \frac {g}{mol} + 1~mol \cdot 16~ \frac {g}{mol} + 6~mol \cdot 1~ \frac {g}{mol} $
  $ m(gesamt) = 74~g $

  Jetzt können wir zum Abschluss noch den Massenanteil des Kohlenstoffs bestimmen.
  $ \omega (C) = \frac{24~g}{74~g} $
  $ \omega (C) = 0,32 $
  $ \omega (C) = 32 \% $

  Für die Massenanteile der anderen Elemente müssen statt der Masse von Kohlenstoff die bereits berechnete Masse dieser Elemente im Zähler der letzten Formel auftauchen. Die Gesamtmasse bleibt gleich.