Polystyrol - ChidS.de
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Bei dieser Datei han<strong>de</strong>lt es sich um ein Protokoll, das einen Vortrag im Rahmen<br />
<strong>de</strong>s Chemielehramtsstudiums an <strong>de</strong>r Uni Marburg referiert. Zur besseren<br />
Durchsuchbarkeit wur<strong>de</strong> zu<strong>de</strong>m eine Texterkennung durchgeführt und hinter das<br />
eingescannte Bild gelegt, so dass Copy & Paste möglich ist – aber Vorsicht, die<br />
Texterkennung wur<strong>de</strong> nicht korrigiert und ist gera<strong>de</strong> bei schlecht leserlichen<br />
Dateien mit Fehlern behaftet.<br />
Alle mehr als 700 Protokolle (Anfang 2007) können auf <strong>de</strong>r Seite<br />
http://www.chids.<strong>de</strong>/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html<br />
eingesehen und heruntergela<strong>de</strong>n wer<strong>de</strong>n.<br />
Zu<strong>de</strong>m stehen auf <strong>de</strong>r Seite www.chids.<strong>de</strong> weitere Versuche, Lernzirkel und<br />
Staatsexamensarbeiten bereit.<br />
Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007
Experimentalvortrag<br />
SS 1995<br />
Chemie in <strong>de</strong>r Schule: www.chids.<strong>de</strong><br />
Thema:<br />
Kunststo((am Beispiel <strong>de</strong>s<br />
<strong>Polystyrol</strong>s<br />
Miriam David<br />
Am Schützenplatz 7<br />
35039 Marburg<br />
Chemie / Germanistik
<strong>Polystyrol</strong> - ein Massenkunststo{f<br />
Kunststoffe bestehen aus organischen Makromolekülen, <strong>de</strong>n Polymeren. Diese haben in <strong>de</strong>r<br />
Regel Molekulargewichte, die zwischen 8000 und 6 000 000 g/ Mol liegen.<br />
Kunststoffe wer<strong>de</strong>n nach zwei prinzipiell unterschiedlichen Verfahren hergestellt.<br />
Zum einen durch die Abwandlung makromolekularer Naturstoffe, ein bekanntes historisches<br />
Beispiel fur diese Reaktion ist die Nitrierung von Cellulose zu Nitrocellulose.<br />
Zum an<strong>de</strong>ren entstehen Polymere durch die chemische Verknüpfung von Monomeren.<br />
Auf diese Art erfolgt auch die Herstellung von <strong>Polystyrol</strong>.<br />
Reines <strong>Polystyrol</strong> ist je nach Herstellungsart entwe<strong>de</strong>r amorph und durchsichtig o<strong>de</strong>r kristallin.<br />
Da reines <strong>Polystyrol</strong> relativ sprö<strong>de</strong> ist und eine sehr niedrige Schlagzähigkeit aufweist, wird es<br />
meist als Co - Polymer o<strong>de</strong>r Blend eingesetzt, welche ein sehr breites Anwendungsgebiet fin<strong>de</strong>n<br />
.<br />
Technische Stvrolsynthese:<br />
Die technische Styrolsynthese erfolgt zunächst über eine Frie<strong>de</strong>l - Crafts - Alkylierung von<br />
Benzol mit Ethen in Gegenwart von Aluminiumtrichlorid als Lewis - Säure. Das entstehen<strong>de</strong><br />
Ethylbenzol wird in Gegenwart von Propen oxidiert, wobei man Propenoxid und 1 - Phenylethanol<br />
erhält. Dieser Alkohol wird <strong>de</strong>stillativ abgetrennt und am Metalloxid - Kontakt bei<br />
600 °C zum Styrol <strong>de</strong>hydratisiert.<br />
Frie<strong>de</strong>l - Crafts - Alkylierung :<br />
Benzol Ethen<br />
Oxidation·<br />
Ethylbenzol<br />
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CH2= CH- CH:;<br />
Propcn<br />
CI<br />
I<br />
+ Al-Cl<br />
I<br />
CI<br />
® H<br />
Cl<br />
® ( 81<br />
"'CH2J.!.!.!.!.! CH2"111 Al-Cl<br />
I<br />
CI<br />
©<br />
HO-CH-CH3<br />
[0] ..<br />
1- Phenylethanol<br />
+<br />
Propenoxid
Radikalische Polymerisation<br />
Thermische Dissoziation <strong>de</strong>s Initiators<br />
Startreaktion<br />
Wachstumsreaktion<br />
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©rc,-,o,<br />
/0\<br />
11<br />
2<br />
Benzoylradikal<br />
7
Das mittlere Molekulargewicht läßt sich bis zu einem gewissen Grad durch die Initiatorkonzentration<br />
und die Temperatur beeinflussen.<br />
Niedrige Initiatorkonzentrationl<br />
niedrige Temperatur<br />
wenig gleichzeitig wachsen<strong>de</strong><br />
Ketten<br />
selten Abbruchreaktionen<br />
+<br />
M hoch bei längerer Polymerisationsdauer<br />
Hohe Initiatorkonzentration<br />
höhere Temperatur<br />
Viele gleichzeitig wachsen<strong>de</strong><br />
Ketten<br />
häufige Abbruchreaktionen<br />
M niedrig bei kürzerer Polymerisationsdauer<br />
Dem Mechanismus zufolge verläuft die Reaktion unter Eliminierung <strong>de</strong>r TI: - Bindung, was sich<br />
beispielsweise mit Hilfe <strong>de</strong>r Entfärbung von Brom - Wasser nachweisen läßt. (Versuch 2 )<br />
Brom addiert sich elektrophil an die Doppelbindung. Der Mechanismus <strong>de</strong>r Reaktion beruht<br />
darauf, daß die Br-Br - Bindung polarisierbar ist und bei <strong>de</strong>r Reaktion mit einem Nucleophil<br />
eine heterolytische Spaltung erfährt. Es kommt zur Ausbildung eines cyclischen Bromonium <br />
IOns.<br />
Elektrophile Addition von Brom<br />
Bildung eines cyclischen Bromoniumions<br />
Braun<br />
IBrl<br />
Die Bildung <strong>de</strong>s Bromoniumions erfolgt unter Abspaltung eines Bromid - Ions, welches in einem<br />
folgen<strong>de</strong>n Schritt das Bromoniumion nucleophil angreift. Es kommt zu einer intramolekularen<br />
S,,2 - Reaktion und zur Ausbildung <strong>de</strong>s vicinalen Dihalogenids, welches farblos ist. 0 h.<br />
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durch die Entfärbung von Br2 - Wasser läßt sich die Anwesenheit von Doppelbindungen nachweisen.<br />
Nucleophile Ringöffnung<br />
Die anionische Polymerisation<br />
Farblos<br />
Für die anionische Polymerisation gibt es zwei prinzipiell unterschiedliche Startreaktionen:<br />
1.) lnitiierung <strong>de</strong>r Reaktion durch <strong>de</strong>n nucleophilen Angriff eines lnitiatorfragments, welches<br />
zu einer Endgruppe im Polymeren wird . ( z.B. Alkalimetallalkyle wie Butyl- Lithium)<br />
2.) Initiierung durch Elektronenübertragung. Der Initiator wird nicht in die Polymerkette<br />
eingebaut. ( z.B.Naphthylnatrium )<br />
loor Na'<br />
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10
2.)Carbeniumsalze. wie beispielsweise das Tropyliumhexachlorantimonat. Dieses dissoziiert in<br />
einem entsprechen<strong>de</strong>n Solvens und das entstehen<strong>de</strong> Tropyliumkation wirkt polymerisationsauslösend,<br />
in<strong>de</strong>m es die Doppelbindung angreift.<br />
a ) Dissoziation<br />
b ) Startreaktion<br />
+<br />
3.)Lewissäuren in Verbindung mit sogenannten Co - Initiatoren. Dabei han<strong>de</strong>lt es sich entwe<strong>de</strong>r<br />
um protonenabspalten<strong>de</strong> Stoffe o<strong>de</strong>r um Alkylhalogeni<strong>de</strong>, die mit <strong>de</strong>r Lewissäure<br />
Komplexe bil<strong>de</strong>n, welche dann unter Abspaltung eines Kations zerfallen.<br />
Dieses Kation ( Proton o<strong>de</strong>r Alkylkation ) greift die Doppelbindung ebenfalls elektrophil an,<br />
wodurch die Polymerisation ausgelöst wird.<br />
- mit protonenabspalten<strong>de</strong>n Stoffen als Co - Initiatoren<br />
- mit Alkylhalogeni<strong>de</strong>n<br />
SnC4 + RCI<br />
b ) Startreaktion<br />
+<br />
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8 $<br />
[ SnCls ] + R<br />
13
zu<strong>de</strong>m wirkt es als Lewis - Säure, die am Titan durch die Abstraktion eines negativ gela<strong>de</strong>nen<br />
Ligan<strong>de</strong>n eine freie Koordinationsstelle erzeugt.<br />
+<br />
[<br />
CI 'A( C2 H 5 ]-<br />
/ 'C H<br />
CI 2 5<br />
D.h. <strong>de</strong>r Mechanismus <strong>de</strong>r Ziegler - Natta - Polymerisation erfolgt über einen kationischen<br />
Komplex .<br />
Mechanismus <strong>de</strong>r Ziegler - Natta - Polymerisation<br />
(R = Ethvl )<br />
Cl<br />
+ e<br />
R- j-Cl<br />
t<br />
CH==CH,<br />
© -<br />
- --<br />
Isolaktisc hes r oh stvrol<br />
-<br />
Cl<br />
I<br />
e Ti- {.'l<br />
I<br />
CH,<br />
I -<br />
/ CZ!<br />
@ R<br />
An <strong>de</strong>r freien Koordinationsstelle <strong>de</strong>s Katalysatorkomplexes kann sich ein Monomermolekül<br />
anlagern. welches dann in die Titan - Alkylbindung eingeschoben wird. Dabei wan<strong>de</strong>rt <strong>de</strong>r Alkylrest<br />
auf die an<strong>de</strong>re Seite <strong>de</strong>s Katalysatorkornplexes, wodurch wie<strong>de</strong>r eine Koordinationsstel<br />
Je frei wird, wo sich erneut ein Monomermolekül anlagern kann.<br />
Dieser Prozeß wie<strong>de</strong>rholt sich nun, so daß es zur Ausbildung einer Polymerkette kommt.<br />
Das entstan<strong>de</strong>ne Polymer wird dann durch Hydrolyse mit Methanol o<strong>de</strong>r durch die Reaktion<br />
mit Wasserstoff aus <strong>de</strong>m Polymer - Katalysatorkomplex freigesetzt .<br />
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16
Die Insertion <strong>de</strong>s Monomeren kann bei unsymmetrischen Vinylverbindungen aus sterischen und<br />
ionischen Grün<strong>de</strong>n nur in ganz bestimmter Weise erfolgen, so daß takti sche Polymere entstehen.<br />
Da <strong>de</strong>r Katalysator zu<strong>de</strong>m auf ein MgCb - Kristallgitter aufgetragen wird, ist auch durch die<br />
Oberfl ächenstruktur <strong>de</strong>s Kristallgitters eine Verstärkung <strong>de</strong>r Taktizität gegeben, was man sich<br />
so vorstellen kann, daß sich durch die Ecken und Kanten <strong>de</strong>s Kristallgitters eine Vorzugsrichtung<br />
fur die Anlagerung <strong>de</strong>s Monomeren ausbil<strong>de</strong>t.<br />
Verfahren <strong>de</strong>r radikalischen Polymerisation:<br />
- Substanz - o<strong>de</strong>r Massenpolymerisation (Blockpolymerisation )<br />
- Lösungspolymerisation<br />
- Fällungspolymerisation<br />
- Emulsionspolymerisation<br />
- Suspensionspolymerisation<br />
S" hstan=po /v mer isa ti oll (Massenpo/vmerisatio/1 )<br />
Das reine flüssige Monomer wird mit einem Initiator umgesetzt. Der Vorteil <strong>de</strong>s Verfahrens<br />
liegt darin, daß das Polymer in sehr reiner Form anfällt, was z.B. für die Verwendung im Lebensmittelsektor<br />
von großer Be<strong>de</strong>utung ist.<br />
Der Nachteil liegt im exothermen Charakter <strong>de</strong>r Reaktion. Da es technisch sehr schwer ist, die<br />
frei wer<strong>de</strong>n<strong>de</strong>n Wärmemengen abzufuhren, können nur kleine Substanzmengen auf diese Art<br />
umgesetzt wer<strong>de</strong>n.<br />
Demgegenüber haben die in Lösung durchgeführten Polymerisationen <strong>de</strong>n Vorteil, daß die<br />
Reaktionswärme über das Lösungsmittel abgefuhrt wer<strong>de</strong>n kann .<br />
Der Nachteil liegt darin, daß sich Polymere nur sehr schwer vollständig von <strong>de</strong>n Lösungsmittelresten<br />
reinigen lassen.<br />
LÖSllllgspo/vmerisatiOll<br />
Monomer und Initiator wer<strong>de</strong>n in einem Lösungsmittel umgesetzt ( Styrol beispielsweise in<br />
THF o<strong>de</strong>r DMSO ). Das entstan<strong>de</strong>ne Polymer wird in einem Fällungsbad ausgefällt.<br />
( <strong>Polystyrol</strong> in Methanol ) Dieses Verfahren bietet <strong>de</strong>n Vorteil, daß evtl. nicht umgesetztes<br />
Monomer vom entstan<strong>de</strong>nen Polymer abgetrennt wird, da es im entsprechen<strong>de</strong>n Fällungsbad<br />
löslich ist.<br />
}
die Lösung benötigt, um durch die Kapillare zu fließen, nach <strong>de</strong>m Hagen - Poiseulle' sehen<br />
Gesetz, von <strong>de</strong>r Viskosität <strong>de</strong>r Lösung abhängig.<br />
Hagen - Poiseuille'sches Gesetz<br />
Diese Gleichung gilt nur für <strong>de</strong>n Fall, daß die Strömung laminar und stationär ist, und daß die<br />
direkt an <strong>de</strong>r Kapillarwand anliegen<strong>de</strong>n Flüssigkeitsschichten ruhen.<br />
Um das Molekulargewicht <strong>de</strong>s gelösten Stoffes zu bestimmen ist es nicht nötig, die absolute<br />
Viskosität zu bestimmen, son<strong>de</strong>rn man berechnet aus <strong>de</strong>r Laufzeit <strong>de</strong>s reinen Lösungsmittels to<br />
und <strong>de</strong>r Laufzeit <strong>de</strong>r Lösung t die spezifische Viskosität.<br />
spezifische Viskosität 10 = Laufzeit <strong>de</strong>s reinen Lösungsmittels<br />
Y/ sp=<br />
t -to<br />
10<br />
t = Laufzeit <strong>de</strong>r Lösung<br />
Die spezifische Viskosität ist ein direktes Maß für die Erhöhung <strong>de</strong>r Viskosität aufgrund <strong>de</strong>r<br />
gelösten Moleküle.<br />
Da die Viskosität nicht ausschließlich von <strong>de</strong>r MoIrnasse abhängt, fuhrt man zur Eliminierung<br />
<strong>de</strong>r auftreten<strong>de</strong>n intermolekularen Wechselwirkungen <strong>de</strong>n sog. Staudinger - In<strong>de</strong>x ein, <strong>de</strong>r sich<br />
durch die Extrapolation auf unendliche Verdünnung und unendliches Geschwindigkeitsgefälle<br />
ergibt .<br />
Es gilt folgen<strong>de</strong>r Zusammenhang :<br />
Staudinger In<strong>de</strong>x<br />
Den Quotient aus spezifischer Viskosität und Konzentration bezeichnet man als reduzierte<br />
Viskosität<br />
Y/sp _<br />
C-Y/ red<br />
Um <strong>de</strong>n Staudinger In<strong>de</strong>x zu bestimmen, wur<strong>de</strong> zunächst die Laufzeit t, <strong>de</strong>s Lösungsmittels<br />
Toluol gemessen, wobei es sinnvoll ist, dieses zuvor anzufärben ( Z.B. Sudanrot ).<br />
Anschließend wur<strong>de</strong> eine Verdünnungsreihe angelegt, in<strong>de</strong>m zunächst 698mg anionisches <strong>Polystyrol</strong><br />
in 100mi <strong>de</strong>s Toluols gelöst wur<strong>de</strong>n . Es wur<strong>de</strong>n jeweils 20ml zur Messung entnommen,<br />
die dann schrittweise mit 10,20,30, etc. ml <strong>de</strong>s Toluols verdünnt wur<strong>de</strong>n .<br />
Es wur<strong>de</strong>n mit je<strong>de</strong>r Lösung vier Messungen durchgeführt , <strong>de</strong>ren Ergebnisse in <strong>de</strong>r folgen<strong>de</strong>n<br />
Tabelle zusammengefaßt sind:<br />
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Diese vollständige Reversibilität <strong>de</strong>r Deformierung gilt nur bis zu einem gewissen Belastungsgrad.<br />
Wenn die einwirken<strong>de</strong> Kraft stärker ist, "zieht" sie auch an <strong>de</strong>n Verknüpfungspunkten,<br />
wo es zu irreversiblen Umlagerungen und Brüchen in <strong>de</strong>r Kette kommt.<br />
D.h.einTeil <strong>de</strong>r aufgewandten Energie wird vom Material dissipiert, und die Deformierung, die<br />
durch diese aufgenommene Energie bewirkt wird, bleibt erhalten.<br />
Man bezeichnet das als plastisches Fließen <strong>de</strong>s Materials, die Erscheinung als Viskoelastizität.<br />
Duroplaste:<br />
Bei Duroplasten han<strong>de</strong>lt es sich um hochvernetzte Molekülketten, die aufgrund <strong>de</strong>r vielen kovalenten<br />
Bindungen nicht aneinan<strong>de</strong>r abgleiten können. Das Material ist in <strong>de</strong>r Regel hart und<br />
sprö<strong>de</strong>. Bei <strong>de</strong>r Einwirkung mechanischer Kräfte erfolgt bis zu einem gewissen Belastungsgrad<br />
keine Deformierung. Ist die einwirken<strong>de</strong> Kraft stärker wird das Material zerstört.<br />
_m-<br />
Styropor - ein Schaumstoff<br />
Schaumstoffe entstehen durch die Zellausbildung innerhalb <strong>de</strong>s stofflichen Gefuges eines Polymeren.<br />
Es han<strong>de</strong>lt sich bei Schaumstoffen zunächst um Mischungen von Polymeren mit niedrig sie<strong>de</strong>n<strong>de</strong>n<br />
Flüssigkeiten. Beim Erhitzen verdampft die in <strong>de</strong>r Polymermatrix enthaltene Flüssigkeit,<br />
die im Dampfzustand ein größeres Volumen einnimmt, wodurch <strong>de</strong>r Kunststoff zum Schaumstoffaufgetrieben<br />
wird.<br />
Es gibt verschie<strong>de</strong>ne Treibverfahren zur Herstellung von Schaumstoffen.<br />
Treibverfahren:<br />
- Mechanisches Treibverfahren:<br />
Dem flüssigen Kunststoff wird durch mechanisches Rühren Luft untergeschlagen, wodurch das<br />
Polymer zum Schaumstoff aufgetrieben wird.<br />
Um das Zusammenfallen <strong>de</strong>s Schaumstoffes zu verhin<strong>de</strong>rn, wird er durch die Zugabe einer<br />
Vemetzungskomponente in <strong>de</strong>r aufgeschäumten Form vemetzt und dadurch ausgehärtet.<br />
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22
Anlage 1:<br />
Bei allen mit Styrol durchgefuhrten Polymerisationen ist es sinnvoll, das Monomer vor <strong>de</strong>r<br />
Umsetzung vom zugesetzten Stabilisator zu befreien. Die einfachste Möglichkeit besteht darin ,<br />
das Styrol über AIOx zu säulen .<br />
Versuch /: Die radikalische Polymerisation von Stl'ml<br />
Geräte:<br />
- Reagenzglas<br />
- durchbohrter Stopfen mit Glasrohr<br />
- Wasserbad<br />
- Becherglas mit Rührfisch<br />
- Magnetrührer o<strong>de</strong>r Heizplatte<br />
Chemikalien:<br />
- Styrol<br />
- Dibenzoylperoxid<br />
Durchfuhrung:<br />
Zunächst wer<strong>de</strong>n 1,Og Dibenzoylperoxid unter Rühren bei Raumtemperatur in l Oml Styrol<br />
gelöst. ( Wird das Styrol vor <strong>de</strong>r Umsetzung nicht <strong>de</strong>stabilisiert, muß man etwa 1,3 - 1,5g <strong>de</strong>s<br />
Initiators zusetzen, um <strong>de</strong>n Stabilisator zu "überfahren.")<br />
Die Lösung wird in einem Reagenzglas in einem auf 96°C temperierten Wasserbad erhitzt,<br />
wobei man <strong>de</strong>n Stopfen mit Glasrohr aufsetzt.( Dieses nimmt die Funktion eines Rückflußkühlers<br />
wahr.)<br />
Nach 3 - 5 Minuten beobachtet man ein Aufwallen <strong>de</strong>r Reaktion. Das Reagenzglas wird daraufhin<br />
aus <strong>de</strong>m heißen Wasserbad entfernt. Die Reaktion läuft aufgrund <strong>de</strong>s exothermen Charakters<br />
weiter. Die Polymerisation ist etwa 5 Minuten nach <strong>de</strong>m Anspringen <strong>de</strong>r Reaktion been<strong>de</strong>t.<br />
Bereits während <strong>de</strong>r Polymerisation läßt sich <strong>de</strong>r Reaktionsverlauf verfolgen, da die<br />
Viskosität <strong>de</strong>r Lösung infolge <strong>de</strong>r zunehmen<strong>de</strong>n Moirnasse <strong>de</strong>s Polymeren zunimmt. Die vollständige<br />
Aushärtung <strong>de</strong>s Kunststoffes erfolgt erst beim AbkühJen auf Zimmertemperatur, da<br />
die Polymerisationstemperatur <strong>de</strong>r Schmelztemperatur <strong>de</strong>s Polymeren entspricht.<br />
rTerslich 2: Nachweis <strong>de</strong>r Doppe/bindungen mit Bronnmsser<br />
Geräte:<br />
- :2 Reagenzgläser mit Stopfen<br />
- Pipetten<br />
Chemikalien:<br />
- Styrol<br />
- <strong>Polystyrol</strong><br />
- Chloroform<br />
- Br2 - Wasser<br />
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25
Durchfuhrung:<br />
In einem Reagenzglas wer<strong>de</strong>n einige Körner von radikalischem <strong>Polystyrol</strong>granulat in Chloroform<br />
gelöst. In <strong>de</strong>m an<strong>de</strong>ren Reagenzglas mischt man etwa zu gleichen Teilen Styrol und Chloroform.<br />
Man setzt bei<strong>de</strong>n Reagenzgläsern Br2- Wasser zu und schüttelt.<br />
Bei <strong>de</strong>r Styrollösung beobachtet man eine Entfärbung <strong>de</strong>s Br2 - Wassers, da sich das Brom<br />
elektrophil an die im Styrol enthaltenen Doppelbindungen addiert, wodurch das farblose Dihalogenid<br />
entsteht.<br />
In <strong>de</strong>r <strong>Polystyrol</strong>lösung ist keine Entfärbung zu beobachten, da keine Doppelbindungen vorhan<strong>de</strong>n<br />
sind.<br />
Eine eventuelle Blindprobe mit Brom in Chloroform ergiebt, das auch dieses Br2- Wasser nicht<br />
entfärbt.<br />
1'ersuch 3: anionische Polvmerisafiol1<br />
Geräte :<br />
- vier Stickstoffkolben 100 ml<br />
- drei Injektionsspritzen S ml mit langen Kanülen ( 10 - 12 cm )<br />
- Magnetrührer<br />
- Rührfisch<br />
- Destillationsapparatur unter Schutzgas<br />
- Reagenzglas<br />
- Septumskappen<br />
- Stickstoftballon<br />
- Membranpumpe<br />
Chemikalien:<br />
- Argon<br />
- Methanol<br />
- Naphthalin<br />
- Natrium<br />
- Phenothiazin<br />
- Styrol<br />
- THF<br />
Destabilisierung von Styrol:<br />
Da <strong>de</strong>r als Anion vorliegen<strong>de</strong> Initiator extrem empfindlich gegenüber Verunreinigungen ist,<br />
muß das Styrol <strong>de</strong>stillativ gereinigt und <strong>de</strong>stabilisiert wer<strong>de</strong>n. Zu<strong>de</strong>m muß das Vorhan<strong>de</strong>nsein<br />
von Luft ausgeschlossen wer<strong>de</strong>n.<br />
Man fuhrt eine Schutzgas<strong>de</strong>stillation durch, in<strong>de</strong>m man die Apparatur zunächst ausheizt und<br />
mit Argon belüftet. Anschließend befullt man im Argongegenstrom mit SOml<br />
Styrol und 5g Phenothiazin und <strong>de</strong>stilliert im Membranpumpenvakuum. um zu vermei<strong>de</strong>n, daß<br />
das Styrol thermisch polymerisiert. ( Übergangstemperatur. 40 - 4Y)C )<br />
Bei Phenothiazin han<strong>de</strong>lt es sich um einen schwerflüchtigen Inhibitor, <strong>de</strong>r zugegeben wird, um<br />
eine Polymerisation zu vermei<strong>de</strong>n.<br />
.Als Vorlage dient ein IOOml Stickstoffkolben. <strong>de</strong>r nach <strong>de</strong>r Destillation im Argongegenstrom<br />
abgenommen und mit einem Septum verschlossen wird.<br />
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26
worauf ein heftiges Aufwallen <strong>de</strong>r exothermen Reaktion und eine Farbän<strong>de</strong>rung nach Grau <br />
Grün zu beobachten ist.<br />
Nach etwa 15 Minuten kann man eine stark erhöhte Viskosität <strong>de</strong>r Lösung feststellen, was auf<br />
die größere Molmasse <strong>de</strong>s entstan<strong>de</strong>nen Polymeren gegenüber <strong>de</strong>m eingesetzten Monomeren<br />
zurückzufuhren ist.<br />
Dieses Polymer wird nun ebenfalls durch Umfällen gereinigt, in<strong>de</strong>m man es zunächst durch<br />
Zugabe eines Chloroformüberschusses unter Schütteln löst. Anschließend entnimmt man etwas<br />
von <strong>de</strong>r Lösung mit einer Pipette und fällt in einem an<strong>de</strong>ren Reagenzglas, welches Methanol<br />
enthält. Das Polymer fällt weiß aus .<br />
Versuch 5: Suspensionspolymerisation<br />
Geräte:<br />
- Dreihalskolben 500ml<br />
- Schliffthermometer<br />
- Rückflußkühler<br />
- Heizpilz<br />
- KPG - Rührer mit Rührblatt und Hülse<br />
- Demonstrationsmikroskop mit Objektträger<br />
- Pipette<br />
Chemikalien:<br />
- Styrol<br />
-AIBN<br />
- <strong>de</strong>stilliertes Wasser<br />
- Moviol ( als Suspensionsstabilisator )<br />
- Divinylbenzol<br />
Durchführung:<br />
Ein Dreihalskolben mit KPG - Rührer, Rückflußkühler und Schliffthermometer wird mit 250<br />
ml <strong>de</strong>st. Wasser befullt. Unter heftigem Rühren wer<strong>de</strong>n 0,3g Moviol ( 3 - 5 % bezogen auf die<br />
eingesetzte Styrolmenge ) suspendiert. Anschließend gibt man, ebenfalls unter Rühren, eine<br />
klare Lösung von 1,Og AIBN in lOml Styrol in die Suspension und erwärmt mit Hilfe <strong>de</strong>s<br />
Heizpilzes langsam auf 80 "C. Die milchig - weiße Suspension wird etwa 2 - 3 Stun<strong>de</strong>n auf <strong>de</strong>r<br />
höchstmöglichen Stufe gerührt. ( Man kann <strong>de</strong>r Styrol / AIBN - Lösung etwa 0,5g Divinylbenzol<br />
als Vemetzungskomponente zusetzen. Das hat <strong>de</strong>n Vorteil, daß die polymerisieren<strong>de</strong>n Styroltröpfchen<br />
sofort durch Vemetzung in <strong>de</strong>r Perlform fixiert wer<strong>de</strong>n, wodurch ein Auseinan<strong>de</strong>rlaufen<br />
und " Verkleben" verhin<strong>de</strong>rt wird . )<br />
Man läßt die Suspension unter Rühren auf ca. 50 "C abkühlen und entnimmt mit einer Pipette<br />
etwas von <strong>de</strong>r Lösung, um festzustellen, ob die enthaltenen Polymerisatperlen bereits fest gewor<strong>de</strong>n<br />
sind. Die Perlform <strong>de</strong>s Polymerisats läßt sich im Mikroskop erkennen.<br />
( Möchte man das Perlpolymerisat isolieren, läßt man die Suspension unter Rühren abkühlen,<br />
filtriert , spült mehrmals mit Wasser und anschließend mit Methanol und trocknet im Vakuum<br />
bei 30 "C. Man erhält ein feines weißes <strong>Polystyrol</strong>pulver.)<br />
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28
['"ersuch 6: Viskosil71elrische Mo/eku/arge\l'ichISheSlil111711117g:<br />
Geräte:<br />
- Ubbeloh<strong>de</strong>- Viskosimeter ( Kapillarweite: Imm )<br />
- PeIeusball<br />
- Stoppuhr<br />
Chemikalien:<br />
- anionisches <strong>Polystyrol</strong><br />
- Toluol<br />
- Sudanrot ( o<strong>de</strong>r ein an<strong>de</strong>rer Farbstoff, um die Lösung anzufärben )<br />
- H2ü 2<br />
- HCI<br />
Durchführung:<br />
Vor <strong>de</strong>m ersten Gebrauch <strong>de</strong>s Viskosimeters empfiehlt es sich, dieses mit einer Mischung aus<br />
15% H 2Ü2 und 15% Hel zu reinigen. Anschließend spült man mit Wasser und <strong>de</strong>m anschließend<br />
verwen<strong>de</strong>ten Lösungsmittel.<br />
Zur Molekulargewichtsbestimmung ist es erfor<strong>de</strong>rlich, eine Verdünnungsreihe anzufertigen.<br />
Zu diesem Zweck wer<strong>de</strong>n zunächst 200ml Toluol mit Sudanrot angefärbt, und das Viskosimeter<br />
bis zur Markierung A befullt. Mit <strong>de</strong>m Peleusball wird die Flüssigkeit, bei verschlossenem<br />
Druckausgleich, bis oberhalb <strong>de</strong>s markierten Flüssigkeitsreservoirs angesaugt. Man öffnet <strong>de</strong>n<br />
Druckausgleich und mißt die Zeit, die das Flüssigkeitsvolumen <strong>de</strong>s gekennzeichneten Reservoirs<br />
braucht, um durch die Kapillare zu fließen ..<br />
Für das reine bzw. gefärbte Lösungsmittel ergibt sich die Laufzeit to.<br />
Für die Verdünnungsreihe wird nun zunächst eine ca 0,5 - 0,6 %ige Lösung von anionischem<br />
<strong>Polystyrol</strong> in Toluol hergestellt.<br />
(Die von mir verwen<strong>de</strong>te Lösung enthielt 698mg <strong>Polystyrol</strong> in 100ml Toluol)<br />
Von dieser Lösung wer<strong>de</strong>n nun jeweils 20ml entnommen und sukzessive mit 10,20,30, etc .ml<br />
Toluol verdünnt. Die Laufzeiten <strong>de</strong>r jeweiligen Lösungen wer<strong>de</strong>n je viermal gemessen und <strong>de</strong>r<br />
Mittelwert gebil<strong>de</strong>t.<br />
Aus <strong>de</strong>n erhaltenen Werten lassen sich nun die spezifische und die reduzierte Viskosität sowie<br />
<strong>de</strong>r Staudinger - In<strong>de</strong>x bestimmen, mit <strong>de</strong>ssen Hilfe es dann möglich ist, über die sog . Mark <br />
Houwink - Gleichung das Molekulargewicht <strong>de</strong>r Probe zu berechnen.<br />
Die entsprechen<strong>de</strong>n Rechnungen sowie eine Tabelle <strong>de</strong>r erhaltenen Werte fin<strong>de</strong>n sich im Text<br />
<strong>de</strong>s Protokolls.<br />
( Es ist aufgrund <strong>de</strong>r hier vorliegen<strong>de</strong>n engen Kettenlängen - , bzw. Molekulargewichtsverteilung<br />
sinnvoll , die Messung mit anionischem <strong>Polystyrol</strong> durchzufuhren. )<br />
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29
Versuch 7: Schäumen von Slvropor<br />
Geräte:<br />
- eine verschließbare Metallform<br />
- ein Kochtopf ( mit Deckel! )<br />
- eine Heizplatte<br />
Chemikalien:<br />
- <strong>Polystyrol</strong>/Pentan - Granulat zum Schäumen.<br />
Durchfuhrung:<br />
Die Metallform wird bis zu etwa einem Drittel mit <strong>de</strong>m Granulat gefullt, verschlossen und in<br />
ein sie<strong>de</strong>n<strong>de</strong>s Wasserbad gegeben. Dieses muß mit einem Deckel verschlossen sein, da <strong>de</strong>r heiße<br />
Wasserdampf sonst entweicht und die Form nicht gleichmäßig von <strong>de</strong>r Hitze umgeben ist.<br />
Je nach Größe <strong>de</strong>r Form dauert es etwa 2 - 8 min, bis das Granulat aufgeschäumt ist. Die Form<br />
kann <strong>de</strong>m Wasserbad entnommen und geöffnet wer<strong>de</strong>n. Man erhält eine Styroporfigur.<br />
Chemie in <strong>de</strong>r Schule: www.chids.<strong>de</strong><br />
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LiteratllITCceichnis<br />
Bie<strong>de</strong>rbick, Karlheinz; Franck, Adolf: Kunststoff - Kompendium, in: Werkstoflkun<strong>de</strong>, 3<br />
Auflage, Würzburg, 1990.<br />
Bukatsch, Franz; Glöckner, Wolfgang ( Hrsg. ): Experimentelle Schulchemie, Bd . 6/ I,<br />
Organische Chemie I, Köln, 1975.<br />
Elias , Hans - Georg: Makromoleküle, Bd.l: Grundlagen, Bd.2: Technologie,<br />
5. Auflage, Basel - Heidclbcrg - New York, 1990.<br />
Just, Manfred; Hra<strong>de</strong>tzky, Albert : Chemische Schulexperimente. Eine Anleitung fur<br />
Lehrer. Bd 4: Organische Chemie. Thun , Frankfurt/M, Verlag HaITi Deutsch, 1978 .<br />
Müller, M.; Bayer AG Leverkusen, Zentrale Forschung und Entwicklung ( Hrsg.):<br />
Kunststoffe aus Makromolekülen. Leverkusen, 0.1.<br />
Nachrichten aus Chemie / Technik und Laboratorium, Nr .3, 1990 .<br />
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Störi, Fritz; BASF (Hrsg.):Der Stoffaus <strong>de</strong>m die Schäume sind, Die Geschichte vom<br />
Styropor.<br />
Vollmert, Bruno: Grundriß <strong>de</strong>r makromolekularen Chemie, Bd 1, Karlsruhe, 1988 .<br />
Chemie in <strong>de</strong>r Schule: www.chids.<strong>de</strong>