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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 />

Chemie in <strong>de</strong>r Schule: www.chids.<strong>de</strong><br />

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 />

Chemie in <strong>de</strong>r Schule: www.chids.<strong>de</strong><br />

©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 />

Chemie in <strong>de</strong>r Schule: www.chids.<strong>de</strong>


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 />

Chemie in <strong>de</strong>r Schule: www.chids.<strong>de</strong>


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 />

Chemie in <strong>de</strong>r Schule: www.chids.<strong>de</strong><br />

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 />

Chemie in <strong>de</strong>r Schule: www.chids.<strong>de</strong><br />

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 />

Praxis <strong>de</strong>r Naturwissenschaft - Chemie, 6 /37, Jahrgang 1988; 10/28, Jahrgang 1979.<br />

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>

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