Diesen aiMOOC als Battle spielen: Chemie, Klasse 11-13, G-Niveau

Kunststoffe - Chemie

Einleitung

Kunststoffe begegnen Dir täglich: als Verpackung, Kleidung, Smartphone-Gehäuse, Fahrradhelm, Autoteil oder medizinisches Produkt. Ihre Eigenschaften sind kein Zufall. Sie entstehen aus dem Aufbau sehr großer Moleküle, den Makromolekülen, und aus zugesetzten Stoffen.

In diesem aiMOOC lernst Du, wie aus kleinen Molekülen Kunststoffe entstehen, warum sich Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere unterschiedlich verhalten und welche Möglichkeiten und Grenzen das Kunststoffrecycling hat. Dabei verbindest Du Organische Chemie, Werkstoffkunde und Umweltchemie.

Lernziele

Nach der Bearbeitung kannst Du Monomere und Polymere unterscheiden, wichtige Herstellungsreaktionen erklären, Struktur-Eigenschafts-Beziehungen begründen, typische Kunststoffe erkennen und Maßnahmen für einen nachhaltigeren Umgang bewerten.

Grundbegriffe

Ein Kunststoff ist ein Werkstoff, dessen wesentlicher Bestandteil ein oder mehrere Polymere sind. Meist enthält er zusätzlich Farbstoffe, Stabilisatoren, Füllstoffe oder andere Additive.

Ein Monomer ist ein kleines, reaktionsfähiges Molekül. Viele Monomere können zu langen Ketten oder räumlichen Netzwerken verbunden werden. Das entstehende große Molekül heißt Makromolekül. Ein Stoff aus solchen Makromolekülen wird Polymer genannt.

Die Vorsilbe poly bedeutet „viel“. Ein Polymer besteht aus sehr vielen wiederkehrenden Bausteinen. Die Zahl der Wiederholungseinheiten wird häufig mit $n$ angegeben.

Vom Monomer zum Polymer

Ein einfaches Beispiel ist die Bildung von Polyethylen aus Ethen. Die Doppelbindung vieler Ethenmoleküle wird geöffnet. Dadurch können sich die Moleküle zu einer langen Kette verbinden:

$n C H_{2} = C H_{2} ⟶ [- C H_{2} - C H_{2} -]_{n}$

Herstellung von Kunststoffen

Drei wichtige Reaktionstypen zum Aufbau synthetischer Polymere sind die Kettenpolymerisation, die Polykondensation und die Polyaddition.

Kettenpolymerisation

Bei einer Kettenpolymerisation reagieren häufig Monomere mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung. Nach dem Start der Reaktion wächst die Kette schrittweise weiter. Bei der radikalischen Polymerisation geschieht dies über besonders reaktive Teilchen mit ungepaartem Elektron, die Radikale genannt werden.

Typische Produkte sind Polyethylen aus Ethen, Polypropylen aus Propen, Polystyrol aus Styrol und Polyvinylchlorid aus Vinylchlorid.

Polykondensation

Bei der Polykondensation reagieren Monomere mit mindestens zwei geeigneten funktionellen Gruppen. Beim Aufbau der Kette werden kleine Moleküle abgespalten, häufig Wasser. So können beispielsweise Polyester oder Polyamide entstehen.

Ein wichtiges Beispiel ist Polyethylenterephthalat, kurz PET. Es wird aus Ethandiol und Terephthalsäure hergestellt. Dabei entstehen Esterbindungen und Wasser.

Polyaddition

Auch bei der Polyaddition besitzen die Monomere mindestens zwei reaktionsfähige Gruppen. Anders als bei der Polykondensation wird jedoch kein kleines Molekül abgespalten. Ein wichtiges Beispiel ist die Herstellung von Polyurethanen aus Verbindungen mit Isocyanatgruppen und Verbindungen mit Hydroxygruppen.

Polyurethane können je nach Ausgangsstoffen als weicher Schaumstoff, harter Dämmstoff, Lack oder elastischer Werkstoff verwendet werden.

Struktur und Eigenschaften

Die Eigenschaften eines Kunststoffs hängen stark davon ab, wie seine Polymerketten aufgebaut, verzweigt und miteinander vernetzt sind. Die drei klassischen Kunststoffklassen sind Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere.

Kunststoffklasse	Molekülstruktur	Verhalten bei Wärme	Typische Eigenschaften	Beispiele
Thermoplaste	Unvernetzte oder wenig verzweigte Ketten	Werden weich und können schmelzen	Gut formbar, häufig schweißbar und mechanisch recycelbar	PE, PP, PVC, PS, PET
Duroplaste	Engmaschig räumlich vernetztes Netzwerk	Schmelzen nicht, sondern zersetzen sich bei starker Erwärmung	Hart, formstabil, häufig spröde	Phenolharz, Epoxidharz, Melaminharz
Elastomere	Weitmaschig vernetztes Netzwerk	Werden nicht flüssig	Dehnbar und kehren weitgehend in ihre Ausgangsform zurück	Naturkautschuk, Silikonkautschuk, SBR

Thermoplaste

Bei Thermoplasten liegen lange Ketten nebeneinander. Zwischen ihnen wirken zwischenmolekulare Kräfte. Beim Erwärmen werden die Ketten beweglicher und können aneinander vorbeigleiten. Deshalb lassen sich viele Thermoplaste mehrfach erwärmen und neu formen.

Duroplaste

Duroplaste besitzen ein dichtes dreidimensionales Netzwerk aus kovalenten Bindungen. Die Ketten können nicht frei gegeneinander verschoben werden. Deshalb bleiben Duroplaste bei Erwärmung formstabil, bis sie sich chemisch zersetzen.

Elastomere

Elastomere sind nur weitmaschig vernetzt. Beim Dehnen richten sich die Polymerketten stärker aus. Nach dem Loslassen ziehen die Vernetzungsstellen das Material wieder in Richtung seiner ursprünglichen Form.

Additive verändern Eigenschaften

Reine Polymere erfüllen nicht immer alle Anforderungen eines Produkts. Deshalb werden häufig Additive zugesetzt.

Additiv	Aufgabe	Beispiel
Weichmacher	Erhöhen die Beweglichkeit der Ketten	Weiches PVC
Stabilisatoren	Bremsen Schäden durch Wärme, Licht oder Sauerstoff	Außenbauteile
Füllstoffe	Verändern Festigkeit, Masse oder Kosten	Glasfasern oder Kreide
Pigmente	Geben Farbe	Verpackungen und Gehäuse
Flammschutzmittel	Verringern die Entflammbarkeit	Elektrobauteile

Additive können die Verarbeitung und Nutzung verbessern. Sie können aber auch das Recycling erschweren. Ob ein Stoff gesundheitlich oder ökologisch problematisch ist, hängt von seiner chemischen Struktur, seiner Menge, seiner Freisetzung und der Art der Nutzung ab.

Verarbeitung von Thermoplasten

Viele Thermoplaste werden als Granulat geliefert. Es wird erwärmt, geformt und anschließend abgekühlt.

Verfahren	Prinzip	Typische Produkte
Spritzgießen	Kunststoffschmelze wird in eine Form gedrückt	Gehäuse, Bausteine, Verschlüsse
Extrusion	Schmelze wird durch eine Düse gepresst	Rohre, Folien, Profile
Blasformen	Ein erwärmter Kunststoffschlauch wird in einer Form aufgeblasen	Flaschen und Kanister
Tiefziehen	Eine erwärmte Platte wird über oder in eine Form gezogen	Becher und Verpackungsschalen

Die Formgebung ist meist ein physikalischer Vorgang. Das Polymer bleibt chemisch grundsätzlich dasselbe, solange es nicht durch zu hohe Temperatur geschädigt wird.

Wichtige Kunststoffe im Alltag

Kurzzeichen	Name	Kunststoffklasse	Typische Eigenschaften	Typische Verwendung
PE	Polyethylen	Thermoplast	Chemisch beständig, leicht, je nach Typ weich oder steif	Folien, Flaschen, Behälter
PP	Polypropylen	Thermoplast	Leicht, relativ steif, gut ermüdungsbeständig	Deckel, Haushaltswaren, Verpackungen
PVC	Polyvinylchlorid	Thermoplast	Ohne Weichmacher hart, mit Weichmacher flexibel	Rohre, Bodenbeläge, Kabelummantelungen
PS	Polystyrol	Thermoplast	Hart und oft spröde, als Schaum sehr leicht	Verpackungen, Dämmstoffe, Gehäuse
PET	Polyethylenterephthalat	Thermoplastischer Polyester	Fest, transparent, gute Barriereeigenschaften	Getränkeflaschen, Folien, Textilfasern
PA	Polyamid	Thermoplast	Fest, abriebarm, nimmt je nach Typ Wasser auf	Fasern, Zahnräder, technische Bauteile
PMMA	Polymethylmethacrylat	Thermoplast	Transparent und witterungsbeständig	Schutzscheiben, Leuchten, Verglasungen
PUR	Polyurethan	Je nach Aufbau Thermoplast, Elastomer oder Duroplast	Sehr vielseitig	Schaumstoffe, Lacke, Klebstoffe, Rollen

Kunststoffkennzeichnung

Auf vielen Kunststoffprodukten findest Du einen Zahlencode mit einem Kurzzeichen. Solche Recyclingcodes können bei der Sortierung helfen. Sie sind jedoch keine Garantie dafür, dass ein Produkt tatsächlich recycelt wird. Form, Farbe, Additive, Verschmutzung und regionale Anlagen spielen ebenfalls eine Rolle.

Recycling und Kreislaufwirtschaft

Bei der Kreislaufwirtschaft sollen Produkte und Materialien möglichst lange genutzt und wieder in Stoffkreisläufe zurückgeführt werden. Für Kunststoffe gibt es mehrere Wege.

Weg	Beschreibung	Grenze
Wiederverwendung	Ein Produkt wird erneut für denselben oder einen neuen Zweck genutzt	Funktion und Hygiene müssen passen
Werkstoffliches Recycling	Kunststoff wird sortiert, gereinigt, zerkleinert und erneut aufgeschmolzen	Mischungen, Additive und Alterung können die Qualität mindern
Chemisches Recycling	Polymerketten werden chemisch in kleinere Moleküle zerlegt	Benötigt Energie und aufwendige Anlagen
Energetische Verwertung	Kunststoff wird verbrannt und die Energie wird genutzt	Der Werkstoff geht verloren und Kohlenstoffdioxid entsteht

Vermeidung und lange Nutzung sparen häufig mehr Ressourcen als eine einmalige Nutzung mit anschließendem Recycling. Gute Produktgestaltung berücksichtigt deshalb Materialauswahl, Reparierbarkeit, Trennbarkeit und sortenreine Sammlung.

Kunststoffabfälle und Mikroplastik

Gelangen Kunststoffabfälle in die Umwelt, werden sie nur sehr langsam abgebaut. Sonnenlicht, Wellen und mechanische Belastung können größere Stücke in immer kleinere Teilchen zerlegen. Teilchen unter fünf Millimetern werden meist als Mikroplastik bezeichnet.

Primäres Mikroplastik wird bereits in kleiner Form hergestellt oder entsteht direkt als Abrieb. Sekundäres Mikroplastik entsteht durch den Zerfall größerer Kunststoffteile. Die Wirkung hängt unter anderem von Größe, Form, Kunststoffart, Zusatzstoffen und Umweltbedingungen ab.

Biobasiert und biologisch abbaubar

Biobasiert bedeutet, dass ein Kunststoff ganz oder teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt wird. Biologisch abbaubar beschreibt dagegen, dass Mikroorganismen das Material unter bestimmten Bedingungen in kleinere Stoffe umwandeln können.

Beide Eigenschaften sind voneinander unabhängig. Ein biobasierter Kunststoff muss nicht biologisch abbaubar sein. Umgekehrt kann ein biologisch abbaubarer Kunststoff auch aus fossilen Rohstoffen hergestellt werden. Außerdem bedeutet „abbaubar“ nicht, dass ein Produkt bedenkenlos in die Natur geworfen werden darf.

Sichere Untersuchungen in der Schule

Sicherheitsregel: Verbrenne Kunststoffe niemals im Unterricht oder zu Hause. Beim Erhitzen und Verbrennen können reizende, giftige oder ätzende Gase entstehen. Unbekannte Proben werden nicht mit offener Flamme geprüft.

Kunststoffsammlung: Untersuche gereinigte Alltagsgegenstände nach Aussehen, Flexibilität, Kurzzeichen und Verwendungszweck.
Schwimm-Sink-Versuch: Vergleiche kleine, saubere Proben in Wasser. PE und PP schwimmen häufig, PET und PVC sinken häufig. Füllstoffe können das Ergebnis verändern, deshalb ist dies kein eindeutiger Stoffnachweis.
Elastizität: Vergleiche ein Gummiband, einen Kunststoffdeckel und ein ausgehärtetes Kunststoffteil. Beschreibe Dehnung und Rückstellvermögen.
Wärmeverformung: Führe eine Untersuchung mit warmem Wasser nur nach Anweisung der Lehrkraft, mit Schutzbrille und geeigneten bekannten Proben durch.

Rechnen mit Polymerketten

Der mittlere Polymerisationsgrad ${\overline{X}}_{n}$ gibt vereinfacht an, wie viele Wiederholungseinheiten eine durchschnittliche Polymerkette enthält. Näherungsweise gilt:

${\overline{X}}_{n} = \frac{{\overline{M}}_{n}}{M_{0}}$

Dabei ist ${\overline{M}}_{n}$ die mittlere molare Masse des Polymers und $M_{0}$ die molare Masse einer Wiederholungseinheit.

Beispiel Polyethylen: Eine Wiederholungseinheit $- C H_{2} - C H_{2} -$ besitzt ungefähr $28 g m o l^{- 1}$ . Hat das Polymer eine mittlere molare Masse von $280 000 g m o l^{- 1}$ , ergibt sich:

${\overline{X}}_{n} = \frac{280 000}{28} = 10 000$

Eine durchschnittliche Kette enthält in diesem vereinfachten Beispiel also etwa 10.000 Wiederholungseinheiten.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist ein Monomer? (Ein kleiner reaktionsfähiger Ausgangsbaustein) (!Ein vollständig vernetzter Duroplast) (!Ein Recyclingverfahren) (!Ein anorganisches Metallgitter)

Wie entsteht Polyethylen aus Ethen? (Durch Kettenpolymerisation) (!Durch Neutralisation) (!Durch Destillation) (!Durch Elektrolyse)

Was wird bei einer Polykondensation häufig abgespalten? (Ein kleines Molekül wie Wasser) (!Ein Metall) (!Ein Polymernetzwerk) (!Ein Elektronenstrahl)

Was kennzeichnet eine Polyaddition? (Polymeraufbau ohne Abspaltung kleiner Moleküle) (!Zerlegung eines Polymers durch Licht) (!Schmelzen eines Thermoplasts) (!Verbrennung eines Elastomers)

Warum sind Thermoplaste beim Erwärmen verformbar? (Ihre unvernetzten Ketten werden beweglicher) (!Ihre Atome werden zu Metallen) (!Ihre Polymerketten verschwinden) (!Sie bilden sofort ein starres Netzwerk)

Welche Struktur besitzen Duroplaste? (Ein engmaschig vernetztes Netzwerk) (!Nur einzelne Monomere) (!Unvernetzte bewegliche Ketten) (!Eine Kristallstruktur aus Ionen)

Welche Eigenschaft ist typisch für Elastomere? (Sie kehren nach Dehnung weitgehend in ihre Form zurück) (!Sie schmelzen schon bei Raumtemperatur) (!Sie bestehen nur aus Wasser) (!Sie sind immer durchsichtig)

Welche Aussage zu Recyclingcodes ist richtig? (Sie geben Hinweise auf die Kunststoffart) (!Sie garantieren vollständiges Recycling) (!Sie zeigen die Herstellungstemperatur) (!Sie ersetzen die Mülltrennung)

Was ist beim werkstofflichen Recycling wichtig? (Möglichst sortenreines und sauberes Material) (!Eine offene Flamme) (!Eine Mischung aller Abfälle) (!Die vollständige Vernetzung aller Ketten)

Welche Aussage über biobasierte Kunststoffe stimmt? (Biobasiert und biologisch abbaubar sind verschiedene Eigenschaften) (!Biobasiert bedeutet immer kompostierbar) (!Biobasiert bedeutet frei von Kohlenstoff) (!Biobasiert bedeutet immer aus Erdöl hergestellt)

Memory

Monomer	Kleiner Ausgangsbaustein
Polymer	Stoff aus Makromolekülen
Thermoplast	Beim Erwärmen verformbar
Duroplast	Engmaschig vernetzt
Elastomer	Weitmaschig vernetzt
Kettenpolymerisation	Aufbau aus ungesättigten Monomeren
Polykondensation	Aufbau mit Abspaltung kleiner Moleküle
Polyaddition	Aufbau ohne Abspaltung kleiner Moleküle

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Typische Verwendung
Polyethylen	Folien und Behälter
Polyethylenterephthalat	Getränkeflaschen und Textilfasern
Polyvinylchlorid	Rohre und Bodenbeläge
Polyamid	Fasern und technische Zahnräder
Polyurethan	Schaumstoffe und Beschichtungen

Kreuzworträtsel

Monomer	Wie heißt ein kleiner Ausgangsbaustein für ein Polymer?
Polymer	Wie heißt ein Stoff aus Makromolekülen?
Thermoplast	Welche Kunststoffklasse wird beim Erwärmen verformbar?
Duroplast	Welche Kunststoffklasse ist engmaschig vernetzt?
Elastomer	Welche Kunststoffklasse ist dehnbar und rückstellfähig?
Granulat	Wie heißt die körnige Lieferform vieler Kunststoffe?

LearningApps

Lückentext

Kunststoffe bestehen hauptsächlich aus

. Ein kleiner Ausgangsbaustein heißt

. Sehr große Moleküle werden

genannt. Polyethylen entsteht aus dem Monomer

. Bei der Polykondensation werden häufig kleine Moleküle wie

abgespalten. Bei der Polyaddition entsteht dagegen kein niedermolekulares

. Unvernetzte Polymerketten sind typisch für

. Engmaschig vernetzte Kunststoffe heißen

. Weitmaschig vernetzte und dehnbare Kunststoffe heißen

. Stoffe zur gezielten Veränderung von Eigenschaften heißen

. Das erneute Aufschmelzen sortenreiner Kunststoffe gehört zum

Recycling. Kunststoffteilchen unter fünf Millimetern werden meist als

bezeichnet.

Offene Aufgaben

Leicht

Kunststofftagebuch: Fotografiere oder zeichne an einem Tag sechs Kunststoffprodukte und notiere Verwendung, vermutete Kunststoffart und mögliche Alternative.
Recyclingcode-Suche: Sammle an gereinigten Verpackungen fünf verschiedene Kennzeichnungen und erkläre, welche Information sie geben und welche nicht.
Eigenschaftsvergleich: Vergleiche drei bekannte Kunststoffgegenstände hinsichtlich Härte, Elastizität, Transparenz und Dichte.
Begriffsplakat: Gestalte ein Plakat zu Monomer, Polymer, Makromolekül und Wiederholungseinheit.

Standard

Struktur-Eigenschafts-Modell: Baue Modelle für Thermoplast, Duroplast und Elastomer aus Schnüren und Verbindern und erkläre damit ihr Wärmeverhalten.
Verpackungsanalyse: Untersuche eine Produktverpackung auf Materialvielfalt, Trennbarkeit und Recyclingfähigkeit und entwirf eine bessere Lösung.
Polymerreaktionen: Erstelle für Kettenpolymerisation, Polykondensation und Polyaddition je ein übersichtliches Reaktionsschema mit einem Beispiel.
Schulinterview: Befrage Hausmeisterei, Mensa oder Schulkiosk zum Umgang mit Kunststoffabfällen und fasse Verbesserungsvorschläge zusammen.

Schwer

Ökobilanz-Vergleich: Entwickle Kriterien für den Vergleich von Mehrweg- und Einwegverpackungen und begründe, welche Daten für ein faires Urteil nötig sind.
Mikroplastik-Projekt: Plane eine Untersuchung zu möglichen Mikroplastikquellen im Schulalltag, ohne Mikroplastik absichtlich in die Umwelt freizusetzen.
Design for Recycling: Entwirf ein Kunststoffprodukt, das langlebig, reparierbar und am Lebensende leicht zerlegbar ist. Begründe Material und Verbindungstechnik.
Chemie-Erklärvideo: Produziere ein kurzes Video, das den Zusammenhang zwischen Vernetzungsgrad und Werkstoffeigenschaften mit einem selbst gebauten Modell erklärt.

Lernkontrolle

Materialauswahl: Entscheide, ob für einen Trinkflaschendeckel eher ein Thermoplast, Duroplast oder Elastomer geeignet ist, und begründe Deine Wahl über Molekülstruktur und Nutzung.
Fehleranalyse: Eine Schülerin behauptet, jeder biobasierte Kunststoff zerfalle schnell im Meer. Widerlege die Aussage fachlich und formuliere eine korrekte Version.
Recyclingkonzept: Entwickle für eine Schulveranstaltung ein Konzept zur Vermeidung, Sammlung und Verwertung von Kunststoffabfällen. Begründe die Reihenfolge Deiner Maßnahmen.
Reaktionsvergleich: Vergleiche Kettenpolymerisation, Polykondensation und Polyaddition anhand von Monomermerkmalen, Kettenwachstum und Nebenprodukten.
Produktprüfung: Erkläre, warum ein mehrschichtiger Verpackungsverbund trotz geringer Masse schwerer zu recyceln sein kann als eine dickere Verpackung aus nur einem Polymer.
Transferaufgabe: Ein Kunststoff ist weich, dehnbar und kehrt nach Entlastung in seine Form zurück, schmilzt aber nicht. Leite aus diesen Beobachtungen eine wahrscheinliche Molekülstruktur ab.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du die Fachbegriffe Monomer, Polymer, Makromolekül und Additiv sicher verwenden. Du solltest die drei Herstellungsreaktionen unterscheiden, Reaktionsschemata deuten und den Zusammenhang zwischen Vernetzungsgrad und Eigenschaften erklären können. Wichtig sind außerdem die begründete Auswahl von Kunststoffen für Anwendungen, die kritische Bewertung von Recyclingwegen und eine sachliche Unterscheidung zwischen biobasiert und biologisch abbaubar.

Ein guter Lernnachweis verbindet Fachwissen mit einem eigenen Produkt, Modell, Experimentprotokoll, Erklärvideo oder einer begründeten Problemlösung. Sicherheitsregeln, Quellenangaben und eine verständliche chemische Argumentation gehören dazu.

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