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Einführung

Skripte
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Makromolekulare Chemie

Dieses Skript führt in das Themengebiet der Makromolekularen Chemie ein. Wir werden uns zunächst ein wenig mit der Geschichte der Makromolekularen Chemie beschäftigen, bevor wir dazu übergehen, den Begriff des Makromoleküls und des Polymers kennen zu lernen. Anschließend schauen wir uns die Baueinheiten von Polymeren an und schließen dieses Skript in diesem Zusammenhang mit einem Ausblick auf die Kunststoffe ab.
In weiteren Skripten dieses Themengebiets beschäftigen wir uns dann mit den Beziehungen zwischen der Struktur und den Eigenschaften von Polymeren, der Polysynthese in Form der radikalischen Polymerisation, der Polykondensation sowie der Polyaddition. Neben den Mechanismen dieser Synthesen interessiert uns hier insbesondere auch das Produkt, welches am Ende dabei herauskommt. Du wirst lernen woher der Begriff PVC kommt und die Eigenschaften dieser und weiterer Verbindungen verstehen lernen. Zum Abschluss werfen wir einen Blick auf die Verwertung sowie die nachhaltige Verwendung und Produktion von Kunststoffen.

Hermann Staudinger und die Chemie der Makromoleküle

Makromoleküle: Einführung
Abb. 1: Hermann Staudinger.
Der Begriff des Polymers geht auf den schwedischen Chemiker Jöns Jacob Berzelius zurück, der diesen bereits 1832 im Zusammenhang mit Molekülen unterschiedlicher Größe verwendete. Dieser Begriff leitet sich aus dem griechischen ab und setzt sich aus gr. „poly“ = viel und gr. „meros“ = Teilchen zusammen. Es dauerte aber noch fast 100 Jahre, bis man anfing, die Struktur dieser Moleküle zu verstehen. Anfang des 20. Jahrhunderts war die Meinung weit verbreitet, dass diese Polymere aus Aggregaten kleinerer Moleküle bestehen sollten. Erst 1920 präsentierte der deutsche Chemiker und spätere Nobelpreisträger (1953) Hermann Staudinger eine Idee, mit der er die Makromolekulare Chemie begründen sollte. Er vertrat die Ansicht, dass die bereits bekannten Polymere besonders große Moleküle, Makromoleküle (von gr.„makros“ = groß), darstellen sollten. Diese sollten aus mehreren tausend Atomen bestehen und würden eine kettenartige Struktur aufweisen.
Makromoleküle: Einführung
Abb. 1: Hermann Staudinger.
Der Begriff des Polymers geht auf den schwedischen Chemiker Jöns Jacob Berzelius zurück, der diesen bereits 1832 im Zusammenhang mit Molekülen unterschiedlicher Größe verwendete. Dieser Begriff leitet sich aus dem griechischen ab und setzt sich aus gr. „poly“ = viel und gr. „meros“ = Teilchen zusammen. Es dauerte aber noch fast 100 Jahre, bis man anfing, die Struktur dieser Moleküle zu verstehen. Anfang des 20. Jahrhunderts war die Meinung weit verbreitet, dass diese Polymere aus Aggregaten kleinerer Moleküle bestehen sollten. Erst 1920 präsentierte der deutsche Chemiker und spätere Nobelpreisträger (1953) Hermann Staudinger eine Idee, mit der er die Makromolekulare Chemie begründen sollte. Er vertrat die Ansicht, dass die bereits bekannten Polymere besonders große Moleküle, Makromoleküle (von gr.„makros“ = groß), darstellen sollten. Diese sollten aus mehreren tausend Atomen bestehen und würden eine kettenartige Struktur aufweisen.
Diese Hypothese wurde Gegenstand einer intensiven Diskussion und erst durch die Untersuchung von Kautschuk und anderen Polymeren konnte Staudinger seine Theorie untermauern. Für seine wegweisenden Arbeiten auf diesem Gebiet wurde er dann 1953 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet und gilt auch heute noch als Vater der Polymerchemie.

Warum Makromoleküle?

Theoretisch können wir uns fragen, warum es sich lohnt, sich mit Makromolekülen auseinanderzusetzen. Wo treten diese auf, welche Relevanz haben sie und was für Moleküle umfasst diese Gruppe überhaupt?
Wir wollen ganz einfach beginnen und einen Blick aus dem Fenster wagen. Wenn du Glück hast, siehst du nun den ein oder anderen Baum. Ganz übertrieben ausgedrückt, handelt es sich bei diesem Baum um eine Ansammlung der verschiedensten Makromoleküle. Diese sind den Biopolymeren zuzuordnen, wie beispielsweise Lignin und Cellulose. Sie weisen unterschiedliche Eigenschaften auf und nehmen dementsprechende ganz unterschiedliche Rollen im Organismus Baum ein. Lignin ist ein sehr stabiles Polymer, welches aus verschiedenen Monomeren besteht und viele aromatische Ringe aufweist. Die Stabilität des Lignins führt zur Verholzung von Zellen und dient der Druckfestigkeit von Pflanzen. Cellulose ist ein Molekül, das aus einer Aneinanderreihung von Glucosemolekülen besteht (vgl. das Skript Naturstoffe – Polysaccharide). Lange Cellulosefasern dienen der Stabilität und insbesondere auch der Reißfestigkeit von Pflanzen.
Wir konnten an diesem relativ einfachen Beispiel bereits zwei wichtige Eigenschaften von Makromolekülen erkennen, die uns im Rahmen dieses Themengebiets interessieren werden: die Größe von Makromolekülen, ihre Monomere und die Eigenschaften, die sich aus der Struktur und der Eigenschaft der Monomere ableiten. Das Augenmerk des Themengebiets Makromolekulare Chemie wird auf künstlichen Polymeren – Kunststoffen – liegen. Wir werden uns im Rahmen dieses Themengebiets zunächst mit den Bausteinen von Makromolekülen beschäftigen, den Monomeren, und wichtige Eigenschaften kennen lernen, die Einflüsse auf die Struktur und Eigenschaften des Makromoleküls haben. Wir sprechen in diesem Zusammenhang auch von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen.

Warum Makromoleküle?

Theoretisch können wir uns fragen, warum es sich lohnt, sich mit Makromolekülen auseinanderzusetzen. Wo treten diese auf, welche Relevanz haben sie und was für Moleküle umfasst diese Gruppe überhaupt?
Wir wollen ganz einfach beginnen und einen Blick aus dem Fenster wagen. Wenn du Glück hast, siehst du nun den ein oder anderen Baum. Ganz übertrieben ausgedrückt, handelt es sich bei diesem Baum um eine Ansammlung der verschiedensten Makromoleküle. Diese sind den Biopolymeren zuzuordnen, wie beispielsweise Lignin und Cellulose. Sie weisen unterschiedliche Eigenschaften auf und nehmen dementsprechende ganz unterschiedliche Rollen im Organismus Baum ein. Lignin ist ein sehr stabiles Polymer, welches aus verschiedenen Monomeren besteht und viele aromatische Ringe aufweist. Die Stabilität des Lignins führt zur Verholzung von Zellen und dient der Druckfestigkeit von Pflanzen. Cellulose ist ein Molekül, das aus einer Aneinanderreihung von Glucosemolekülen besteht (vgl. das Skript Naturstoffe – Polysaccharide). Lange Cellulosefasern dienen der Stabilität und insbesondere auch der Reißfestigkeit von Pflanzen.
Wir konnten an diesem relativ einfachen Beispiel bereits zwei wichtige Eigenschaften von Makromolekülen erkennen, die uns im Rahmen dieses Themengebiets interessieren werden: die Größe von Makromolekülen, ihre Monomere und die Eigenschaften, die sich aus der Struktur und der Eigenschaft der Monomere ableiten. Das Augenmerk des Themengebiets Makromolekulare Chemie wird auf künstlichen Polymeren – Kunststoffen – liegen. Wir werden uns im Rahmen dieses Themengebiets zunächst mit den Bausteinen von Makromolekülen beschäftigen, den Monomeren, und wichtige Eigenschaften kennen lernen, die Einflüsse auf die Struktur und Eigenschaften des Makromoleküls haben. Wir sprechen in diesem Zusammenhang auch von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen.
Makromoleküle: Einführung
Abb. 2: Makromolekulare Verbindung.
Makromoleküle: Einführung
Abb. 2: Makromolekulare Verbindung.
Im Anschluss können wir uns dann mit dem Aufbau von Makromolekülen beschäftigen und lernen die Reaktionsmechanismen der radikalischen Polymerisation, der Polyaddition und der Polykondensation kennen. Mithilfe derer wirst du in der Lage sein, wichtige makromolekulare Verbindungen aus ihren Monomeren aufzubauen. Zum Abschluss werfen wir einen Blick auf das Recycling und eine nachhaltige Produktion von Kunststoffen. Wir werden hier lernen, wie gebrauchte Kunststoffe als Rohmaterial in einen Werkstoffkreislauf rückgeführt werden können, welche Kunststoffe für welche Arten der Wiederverwertung in Frage kommen und welche Anstrengungen unternommen werden können, um schon bei der Produktion eine relative Umweltverträglichkeit der Materialien zu gewährleisten.

Zentrale Begriffe der makromolekularen Chemie

Am Anfang jedes Makromoleküls stehen ein oder mehrere Bausteine, die als Monomer bezeichnet werden. Diese Monomere (vom gr. monos = einzig, allein; hier eins) besitzen primär die Eigenschaft, dass sie durch sogenannte Polymerisationsreaktionen zu makromolekularen Verbindungen mit variierender Kettenlänge verbunden werden können.
Makromoleküle: Einführung
Makromoleküle: Einführung
Hier kannst du beispielhaft drei Monomere sehen, die alle charakteristische Eigenschaften aufweisen, die sie zu bestimmten Polymerisationsreaktionen befähigen. Zentrale Aspekt sind funktionelle Gruppen oder Doppelbindungen. Diese weisen spezifische Verknüpfungsmöglichkeiten auf, welche in den jeweiligen Makromolekülen realisiert sind. Ein anderer interessanter Aspekt, den wir bereits angesprochen haben, bezieht sich auf die Molekülstruktur der Monomere. Wir wollen an dieser Stelle bereits festhalten, dass diese erhebliche Auswirkungen auf die Struktur und Eigenschaften des Makromoleküls haben. Im Falle des Beispiels oben haben wir bspw. aromatische Kohlenwasserstoffe, welche große Ringstrukturen aufweisen, die relativ starke van-der-Waals-Kräfte ausbilden können, wohingegen einfache C-Ketten relativ schwache intramolekulare Kräfte aufbauen.
Wenn wir mehrere dieser Monomere verknüpfen, erhalten wir zunächst ein Oligomer. Dieses Makromolekül besteht aus zehn bis zwanzig Monomeren. Das Polymer ist ein Makromolekül, das aus vielen Molekülen aufgebaut ist und in dem eine oder mehrere Arten von Grundbausteinen wiederholt auftauchen. Eine zentrale Frage, die wir auch ausführlichst behandeln werden, bezieht sich auf den Aufbau von Polymeren.

Kunststoffe

Wenn du dich umschaust, dann wirst du garantiert irgendwo einem Kunststoff begegnen. Deine Kleidung, der Tisch, Lampen, Einrichtung und sogar im Zusammenhang mit Käse treten diese auf. Die Liste lässt sich erschöpfend fortführen und überall stecken Kunststoffe drin. Aber warum? Warum ist deren Verwendung aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken und warum werden diese auch weiterhin in gigantischen Ausmaßen produziert trotzdessen, dass sie auch mit vielen Problematiken behaftet sind? „Plastik“, wie Kunststoffe umgangssprachlich auch bekannt sind, stellt eines der großen Umweltprobleme des 21. Jahrhunderts dar.
Makromoleküle: Einführung
Abb. 3: Käserinde aus Kunststoff.
Wenn du dich umschaust, dann wirst du garantiert irgendwo einem Kunststoff begegnen. Deine Kleidung, der Tisch, Lampen, Einrichtung und sogar im Zusammenhang mit Käse treten diese auf. Die Liste lässt sich erschöpfend fortführen und überall stecken Kunststoffe drin. Aber warum? Warum ist deren Verwendung aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken und warum werden diese auch weiterhin in gigantischen Ausmaßen produziert trotzdessen, dass sie auch mit vielen Problematiken behaftet sind? „Plastik“, wie Kunststoffe umgangssprachlich auch bekannt sind, stellt eines der großen Umweltprobleme des 21. Jahrhunderts dar.
Makromoleküle: Einführung
Abb. 3: Käserinde aus Kunststoff.
Das Problem ist: Plastik ist überall – wirklich überall. Wir finden riesige „Müllstrudel“ in den Weltmeeren, von denen ein Bestandteil aus winzigen Plastikpartikeln besteht. Diese feinen Partikel können wir nicht sehen, aber das bedeutet noch lange nicht, dass sie nicht da sind. Wir müssen uns also fragen, warum Plastik in unserem Zeitalter eine derart zentrale Rolle spielt. Plastik ist nicht gleich Plastik! Der Begriff des Kunststoffs beschreibt eine riesige Menge von verschiedensten Verbindungen, die stetig weiter wächst. Kunststoffe sind maßgeschneiderte Werkstoffe und insbesondere im 21. Jahrhundert verbergen sich hier High-Tech-Produkte, welche außergewöhnliche Eigenschaften aufweisen. Du wirst wohl keinen Tag erleben, an welchem dir der Kontakt mit Kunststoffen erspart bleiben würde. Und das ist oft auch notwendig und erlaubt uns einen Lebensstandard, von dem viele Menschen nur träumen können.
Kunststoffe sind hochvariable Stoffe, das heißt, dass wir eine große Bandbreite an verschiedensten Verbindungen nach unseren Vorstellungen herstellen können. Leicht aber stabil oder flexibel und reißfest – Kunststoffe lassen sich heute in so hoher Anzahl und mit derart spezifischen Eigenschaften synthetisieren, dass der Mensch in vielerlei Hinsicht nicht mehr auf die Natur angewiesen ist.
Aus diesem Grund werden wir uns sehr intensiv mit diesen Verbindungen befassen, lernen wie sie produziert werden und welche Verbindungen in welchen Einsatzgebieten zu finden sind.
Kunststoffe sind wohl die Stoffgruppe, bei der die Chemie im direkten Zusammenhang mit unseren alltäglichen Erfahrungen stehen. Jeder von uns nutzt Kunststoffe und deshalb sollten wir auch darüber Bescheid wissen, welche Vorteile, Nachteile und Risiken diese bergen.
Bildnachweise [nach oben]
[1]
https://goo.gl/MaARVN – Hermann Staudinger ETH-Bib Portr 14419-3, Fr. Schmelhaus / ETH Zürich, derivative work: Regi51, CC BY-SA 3.0.
[2]
Public Domain
[3]
Public Domain
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