Klasse funktionelle Gruppe Beispiele Alkohole Methanol Ethanol

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Bauphysik und
Materialwissenschaft
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Organische Chemie
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1
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Anwendungsbeispiele
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Wiba-Net:Lehrpfad Kunststoffe
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Anwendungsbeispiele
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Wiba-Net:Lehrpfad Kunststoffe
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Inhalt: Organische Chemie
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•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Begriffsdefinition
Besonderheiten des Kohlenstoffs
Bindungsstrukturen
Kohlenwasserstoffe
Mehrfachbindungen
Oxidationsstufen
Alkane
Isomere
Funktionelle Gruppen
Verseifung
Tenside
makromolekulare Chemie
Synthetische Kunststoffe
–
–
–
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Polymerisation
Polykondensation
Polyaddition
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Begriff der organischen Chemie
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• vor rund 200 Jahren eingeführt
• Annahme das Naturstoffe wie z.B. Zucker, Coffein,
Alkohol nur von und in Lebewesen gebildet werden
können, da eine “Lebenskraft“ dazu erforderlich sei.
• Begründung des Namens „Organische Chemie“
• Wöhler zeigt 1828 mit der Herstellung von Harnstoff durch
Erhitzen aus dem anorganischen Stoff Ammoniumcyanat,
dass keine wesentlichen Unterschiede zwischen
anorganischer und organischer Chemie vorliegen.
• Mittlerweile bekannt, dass es sich weitgehend um die
Chemie der Kohlenstoffverbindungen handelt.
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Kohlenstoff
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Animation zu den Bindungen
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Kohlenstoff
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Besonderheiten des Kohlenstoffs
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• Wertigkeit des Kohlenstoffs beträgt 4, d.h. er kann vier
Bindungen zu anderen Elementen aufbauen.
• Die hohe Anzahl an möglichen Bindungen erklärt die
große Stabilität der Verbindung.
• Bei 4 Bindungspartnern sind die Bindungen tetraedisch
um das Kohlenstoffatom verteilt.
• Der Bindungswinkel beträgt 109°.
• Besonderheit gegenüber anderen Elementen ist die
Eigenschaft, sich nahezu unbegrenzt mit sich selbst
verbinden zu können.
• Es entstehen ketten-, ring-, netzförmige- und räumliche
Strukturen.
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Kohlenwasserstoffe
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• Die einfachsten organischen Verbindungen sind
die Kohlenwasserstoffe.
• Hierbei handelt es sich um Verbindungen die nur
aus den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff
aufgebaut sind.
• In Kohlenstoffverbindungen sind Ein- oder
Mehrfachbindungen möglich.
• Als Mehrfachbindungen sind zweifach oder
Dreifachbindungen möglich.
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Animation zu den Bindungen
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Alkane, Alkene und Alkine
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• Alkane zeichnen sich dadurch aus, dass die Kohlenstoffatome
untereinander nur durch Einfachbindungen aneinander
gekoppelt sind.
• Alkane sind infolge dessen relativ reaktionsträge und werden
auch als gesättigte Verbindungen bezeichnet.
• Alkene besitzen eine Einfachbindung und zumindest eine
Doppelbindung.
• Alkine verfügen über eine Einfachbindung und wenigstens eine
Dreifachbindung.
• Alkene und Alkine können ihre Mehrfachbindungen aufgeben
und sind deswegen deutlich reaktionsfreudiger als die Alkane.
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Nomenklatur
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• Endsilben geben die Art der in einem Molekül
vertretenen Bindungsarten an:
– Alkane haben die Endung –an
– Alkene die Endung –en
– Alkine die Endung –in
• Die Vorsilbe gibt an aus wie vielen Kohlenstoffatomen
ein Molekül aufgebaut ist.
• Beispiel: Ethen
• Vorsilbe Eth- entspricht 2 Kohlenstoffatomen
• Endung –en deutet auf Alken hin
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Nomenklatur der einfach unverzeigten
Kohlenwasserstoffe
Vorsilbe
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Anzahl
C-Atome
Alkane Alkene
-an
-en
CnH2n+2 CnH2n+0
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Alkine
-in
CnH2n-2
Meth-
1
Methan
-
-
Eth-
2
Ethan
Ethen
Ethin
Prop-
3
Propan
Propen
Propin
But-
4
Butan
Buten
Butin
Pent-
5
Pentan
Penten
Pentin
Hex-
6
Hexan
Hexen
Hexin
Hept-
7
Heptan
Hepten
Heptin
Oct-
8
Octan
Octen
Octin
Non-
9
Nonan
Nonen
Nonin
Dec-
10
Decan
Decen
Decin
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5 Hauptgruppen der Kohlenwasserstoffe
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Kohlenwasserstoffe
kettenförmige
cyclische
Alkane
Alkene
Alkine
Methan
Ethen
Ethin
Cyclohexan
aromatische
Benzol
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Isomere
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• Stoffe mit gleicher Summenformel müssen nicht
zwingend die gleiche Strukturformel besitzen.
• Infolge unterschiedlicher Strukturen weisen diese
Stoffe auch unterschiedliche physikalische und
chemische Eigenschaften auf.
• Solche Moleküle mit identischen Summenformeln
aber voneinander abweichenden Strukturformeln
nennt man Isomere.
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Funktionelle Gruppen
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• Durch den Einbau anderer Atome oder Atomgruppen in
Kohlenwasserstoffverbindungen entstehen neue
Moleküle.
• Diese zusätzlichen Atome oder Atomgruppen geben den
Verbindungen eine bestimmte Funktion, unterschiedliche
physikalische Eigenschaften und ein bestimmtes
Reaktionsverhalten.
• Man nennt sie deswegen auch „Funktionelle Gruppen“.
• Durch die funktionellen Gruppen entstehen eine Vielzahl
von Stoffklassen. Unter anderem die Alkohole, Ketone,
Aldehyde, Carbonsäuren, Ether, Ester, usw..
• Häufig werden in der Strukturdarstellung die Abkürzungen
R, R‘ oder R‘‘ für Methyl- oder Ethylgruppen benutzt.
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Schreibweise der Bindungsstruktur
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Bindungsstrukturen
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kettenförmig
verzweigt
cyclisch
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Oxidationsstufen Ethen-Ethanol
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Materialwissenschaft
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H
H
H
H
C
H -2
H
+
H
C
C
H
+
+
H
-H
H OH
CH3
H
H
C
H
Ethen
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O
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CH3
O
+
H
C CH3
-1
H
Ethanol
20
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Materialwissenschaft
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Campus Essen
IBPM
O
H
H
O
H
C
-1
CH3
+
O
H
H
H
O
O
C
H
HO Cr OH
CH3
Cr
Ethanol
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H
O
CH3CH2OH
O
C
Cr
+1
C O
+
BH
+
CH3CHO
Oxd.
Ethanal
Prof. Setzer
+
H2 O
O
-
+
O
Cr
OH
O
CH3
Ethanal
Oxd.
OH
O
CH3
B
OH
O
+3 O
CH3C
OH
Ethansäure
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Überblick wichtiger funktioneller Gruppen
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Klasse
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funktionelle Gruppe
Beispiele
Alkohole
Methanol
Ethanol
Ketone
Aceton
Methyl-EthylKeton
Formaldehyd
Aldehyde
Ameisebsäure R=H
Carbonsäuren
Essigsäure R=CH3
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Überblick wichtiger funktioneller Gruppen
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Klasse
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Materialwissenschaft
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funktionelle Gruppe
Beispiele
Amine
Diethylamin
Ether
Diethylether
Carbonsäureester
Essigsäureethylester
Carbonsäureamide
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Alkohole
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Bauphysik und
Materialwissenschaft
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• Als funktionelle Gruppe wirkt eine OH-Verbindung.
• Ist die Ableitung aus den entsprechenden Alkanen
möglich, wird die Vorsilbe des Alkans benutzt und die
Endung –ol oder –alkohol angehängt.
Bsp.: Ethan und Ethanol
• Methanol und Ethanol sind unbegrenzt mit Wasser
mischbar.
• Weitere wichtige Vertreter der mehrwertigen Alkohole
sind Ethan-1,2-diol (Trivialname: Glykol) und Propan1,2,3-triol (Trivialname: Glycerin).
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Ketone
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Materialwissenschaft
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• Als funktionelle Gruppe wirkt eine C=O Verbindung.
• Bei kleinen Kettenlängen sind sie mit Wasser vollständig
oder begrenzt mischbar.
• Sie sind brennbar, weisen einen stechenden Geruch auf,
sind relativ leicht biologisch abbaubar und wenig
gesundheitsschädlich.
• wichtigste Vertreter sind Propanon („Aceton“) und
Butanon
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Institut für
Veresterung
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Bauphysik und
Materialwissenschaft
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• Eine Veresterung oder Esterbildung ist eine
Kondensationsreaktion, bei der sich ein Alkohol
mit einer Carbonsäure unter Einfluss eines
Katalysators zu einem Ester verbindet.
• Die parallel ablaufende Rückreaktion bezeichnet
man auch als Verseifung oder Esterspaltung
• Allgemeine Reaktionsgleichung:
Carbonsäure + Alkohol
Ester + Wasser
O
O
R1
C
+
HO
R1
R2
+
H2O
O−R2
OH
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C
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Verseifung
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Materialwissenschaft
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• Unter Verseifung oder Esterspaltung versteht man die
Umsetzung von Carbonsäureestern (Fetten oder fetten
Ölen) mit Laugen, vornehmlich Natronlauge oder
Kalilauge.
• Als Produkt werden Glycerin und das entsprechende
Alkalisalz der im Fett vorkommenden Fettsäuren gebildet.
• Die Alkalisalze der Fettsäuren sind die eigentlichen
Seifen, da sie Tensidcharakter besitzen und somit
Schmutz lösen können.
• Echte Seifen werden aber nur noch selten genutzt, da sie
einige Nachteile aufweisen.
– viele Fettsäuren bilden mit Magnesium- oder Calciumionen
schwerlösliche Verbindungen
– als Folge ist die Waschwirkung mit hartem Wasser sehr gering ist
und z.B. Haare ein stumpfes Aussehen erhalten.
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Institut für
Verseifungsreaktion
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Materialwissenschaft
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Verseifung
O
O
H3C
+
C
+
-
H3C
Na OH
OCH2CH3
C
OCH2CH3 Na
+
O
H
- CH3CH2OH
O
O
H3C
C
H3C
C
O
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Na
+
O
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Institut für
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Bauphysik und
Materialwissenschaft
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Fette: Fette sind natürlich vorkommende Ester aus langkettigen Carbonsäuren und Gylcerin
CH3(CH2)16COOH
Octacecansäure
CH2OH
CH2OCOR
CH2OH
CH2OCOR
CH2OH
CH2OCOR
Glycerin
Glycerid [Fett]
Seifen: Bei der Verseifung entstehen die sogenannten Fettsäuresalze [Seifen] und Glycerin
CH2OCOR13
CH2OCOR13
H2 O
+
3NaOH
CH2OH
CH2OH
CH2OCOR13
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+
CH2OH
O Na
+
3R
C
O
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Tenside
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Bauphysik und
Materialwissenschaft
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• Stoffe die die Grenzflächenspannung
herabsetzen, werden als grenzflächenaktive
Stoffe bezeichnet. In der Regel spricht man von
Tensiden.
• Tensidmoleküle setzen sich stets aus zwei
verschiedenen Molekülteilen zusammen.
• Der eine Molekülteil ist hydrophob während der
andere Molekülteil hydrophil ist.
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Wirkungsweise
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Wirkungsweise
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Materialwissenschaft
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• Der hydrophobe Molekülteil ist bestrebt nicht mit
Wasser in Kontakt zu treten.
• Dieses Ziel wird entweder an der
Wasseroberfläche oder im Kontakt mit anderen
Flüssigkeiten oder Feststoffen erreicht.
• Zeitgleich bleibt der hydrophile Molekülteil
möglichst mit Wasser in Kontakt.
• Als Effekt wird die Grenzflächenspannung des
Wassers verringert.
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Klassen von Tensiden
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• Es existieren vier unterschiedliche Tensidklassen.
• Unterscheidungsmerkmal der verschiedenen
Klassen ist die Ladung des hydrophilen
Molekülbausteins.
• Es wird unterschieden in:
–
–
–
–
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anionische Tenside
kationische Tenside
nichtionische Tenside
ampho Tenside (verfügen über anionische und
kationische Bestandteile)
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Anionische Tenside
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Materialwissenschaft
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• Der hydrophil wirksame Molekülteil ist hier ein
Anion.
• Das passende Gegenion ist positiv geladen.
• In Frage kommen hier zum Beispiel Natrium,
Kalium, Ammonium oder Calcium.
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Kationische Tenside
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Materialwissenschaft
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• Der hydrophil wirksame Molekülteil ist hier ein
Kation.
• Häufig werden Ammoniumionen verwendet.
• Das passende Gegenion ist negativ geladen.
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Nichtionische Tenside
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Materialwissenschaft
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• Tenside dieser Klasse bilden keine Ionen beim
Kontakt mit Wasser aus.
• Als hydrophiler Part dient häufig eine
Glykoleinheit, die über eine Ethergruppe mit einer
Alkylkette verbunden ist.
• Tenside dieser Klasse sind recht stabil gegen
größere Temperaturen, niedrige pH-Werte und
höhere Salzkonzentrationen.
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Makromolekulare Chemie
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• Vorbilder in der Natur für Makromoleküle sind unter
anderem der Naturkautschuk (Latex).
• Versuche den Naturkautschuk und die Polymerisation
nachzubauen führen z.B. zu 1,3-Butadien (Warenname:
Buna) als einem der ersten durch künstliche
Polymerisation hergestellten Kunststoffe.
• Die allgemeine organische Chemie setzt sich mit
Kohlenstoffverbindungen mit relativ kleinen Molekülen
auseinander.
• Die Chemie der Kohlenstoffverbindungen mit großen
Molekülen wird Polymerchemie oder makromolekulare
organische Chemie genannt.
• Die behandelten Makromoleküle können aus bis zu
100.000 Einzelmolekülen bestehen.
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Synthetische makromolekulare Stoffe
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Bauphysik und
Materialwissenschaft
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• Synthetische makromolekulare Stoffe werden in der
Regel unter dem Oberbegriff Kunststoffe
zusammengefasst.
• Sie lassen sich in drei Hauptgruppen unterteilen:
– Thermoplaste
– Duroplaste
– Elastomere
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Hauptgruppen der Kunststoffe
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Materialwissenschaft
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– Thermoplaste
• Makromoleküle werden bei Wärmezufuhr beweglich
• bei Raumtemperatur hart und erweichen bei
Erwärmung in einen plastischen Zustand
– Duroplaste
• engmaschig vernetzt
• nicht schmelzbar, unlöslich, nicht schweißbar und
nicht plastisch verformbar
– Elastomere
• weitmaschig vernetzt
• nicht schmelzbar und nicht plastisch verformbar
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Synthetische Kunststoffe
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Bauphysik und
Materialwissenschaft
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Polykondensate
Polymerisate
Polyaddukte
Duroplaste
Thermoplaste
Duroplaste
Phenolharze
Polyethylen
Epoxidharz
Harnstoffharze
Polypropylen
vernetzte Polyurethane
Melaminharze
Polyvinychlorid
Silicon
Polystyrol
Fluorkunststoffe
Thermoplaste
Thermoplaste
Polyamid
lineare Polyurethane
Polycarbonat
chlorierte Polyethene
Polyester
Polyvinylacetat
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Herstellverfahren
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Bauphysik und
Materialwissenschaft
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• Für die Herstellung der Polymere existieren drei
generell unterschiedliche Herstellverfahren.
– Polymerisation
– Polykondensation
– Polyaddition
vom Monomer
zum Polymer
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Polymerisation
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Institut für
Bauphysik und
Materialwissenschaft
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• In der Regel gleiche Monomere reagieren zu langen
Ketten.
• Die bei den Monomeren wenigstens vorhandene
Doppelbindung wird dabei aufgespalten und für das
Kettenwachstum herangezogen.
• Die Reaktion vom Monomere zum Polymer durchläuft drei
Reaktionsstufen:
– Startreaktion, bei der das Zentrum gebildet wird
– Wachstumsreaktion, bei der die makromolekulare
Kette in einer Kettenreaktion wächst
– Abbruchreaktion
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Institut für
Polymerisationsreaktion
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Startreaktion
IBPM
RO .
+
.
H
H
C C
H
ROCH2 CH2
H
.
H
H
ROCH2 CH2
+
C C
H
ROCH2
H
H H .
C C CH2
H H
Wachstumsreaktion
ROCH2
Abbruchreaktion
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2 RO
H H .
C C CH2
H H
(n-1) C2H4
.
(CH2CH2) n CH2CH2
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.
RO
RO
(CH2CH2) n CH2CH2
(CH2CH2) 2n+2
OR
43
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radikalische und ionische Polymerisation
Campus Essen
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Institut für
Bauphysik und
Materialwissenschaft
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Polymerarten
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Bauphysik und
Materialwissenschaft
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• Es werden die Begriffe Homo-Polymerisate und
Co-Polymerisate unterschieden.
• Homo-Polymerisate sind Polymere aus einem
Monomer.
• Co-Polymerisate bestehen aus mehr als einer
Sorte von Monomeren.
• Mischungen aus verschiedenen Polymeren
werden als Polymer-Blends bezeichnet.
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Universität
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Institut für
Polykondensation
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Bauphysik und
Materialwissenschaft
Campus Essen
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• Bei der Polykondensation handelt es sich um eine
stufenweise Polymerisation.
• Im Gegensatz zu Polymerisation und Polyaddition werden
bei der Polykondensation ein oder mehrere
Nebenprodukte freigesetzt.
• Die Nebenprodukte (Wasser, Ammoniak, usw.) müssen
kontinuierlich abgeführt werden.
n CH3OOC
COO CH3
+
n OH CH2CH2OH
-CH3OH
( OOC
COOCH2CH2 )n
Polyester
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Polykondensation - Startreaktion
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Phenol
Aldehyd
Durch Reaktion von Phenol mit einem Aldehyd entsteht unter
Mitwirkung eines Katalysators ein erstes Zwischenprodukt.
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Polykondensation - Zwischenreaktion
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Bauphysik und
Materialwissenschaft
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H2O
Das Zwischenprodukt reagiert unter Abspaltung von Wasser
nochmals mit Phenol. Dabei handelt es sich um eine
Kondensation.
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ESSE N
Polykondensation - Vernetzung
Campus Essen
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Bauphysik und
Materialwissenschaft
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Laufen Startreaktion und Zwischenreaktion mehrmals mit dem zweiten
Zwischenprodukt anstelle von Phenol bei der Startreaktion ab, kommt
es zu einer Polymerisation und einer räumlichen Vernetzung. Man
spricht von Polykondensation.
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Polyaddition
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Materialwissenschaft
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• Bei der Polyaddition handelt es sich ebenfalls um eine
stufenweise Polymerisation bei der jedoch keine
Nebenprodukte abgespalten werden.
• Die Vernetzung geschieht durch intermolekulare
Umlagerungen.
• Wasserstoffatome aus den funktionellen Gruppen
verschieben sich zu einem anderen Molekül.
• Bei der Verschiebung der Wasserstoffatome bilden sich
Valenzen die für die Bindung verantwortlich sind.
• Die Reaktion ist beendet wenn keine funktionellen
Gruppen der Ausgangstoffe mehr zu Verfügung stehen.
• Zur vollständigen Polymerbildung ist folglich eine genaue
Abstimmung der Ausgangsstoffe aufeinander erforderlich.
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Polyadditionsreaktion
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Bauphysik und
Materialwissenschaft
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O
HOCH2CH2OH
+
HOOC(CH2)4COOH
HOCH2CH2O ( C(CH2)4COCH2CH2O )n H
O
O
OCN
NCO
NH
O
O
O
NHCOCH2CH2O ( C(CH2)4COCH2CH2O )nCNH
CH3
CH3
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Polyurethan
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