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Stereochemie Kohlenhydrate

2024-10-22T17:04:07Z

Brockmann:

Glucose ist eine '''Aldohexose''', also ein Zucker mit einer Aldehyd-Gruppe und insgesamt sechs Kohlenstoffatomen, an denen fünf Hydroxy-Gruppen gebunden sind. Da diese Aldohexosen '''asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome''' enthalten, tritt eine besondere Form der Isomerie auf, die '''Stereoisomerie'''. Das bedeutet, dass die Hydroxy-Gruppen an den vier mittleren Kohlenstoffatomen räumlich unterschiedlich angeordnet sind. Um die verschiedenen Aldohexosen unterscheiden zu können, zeichnet man sie in der '''Fischer-Projektion'''.

===Exkurs: Isomerie und Chiralität===
[[Datei:Butan Lewis.svg|alternativtext=Lewisformel von n-Butan|mini|n-Butan]]
[[Datei:Isobutan.png|alternativtext=Lewisformel von 2-Methylpropan|mini|2-Methylpropan]]
Isomere sind Moleküle, die dieselbe Summenformel, aber unterschiedliche Strukturformeln haben.

====Strukturisomerie====
Im Chemieunterricht lernt man das Phänomen der Isomerie normalerweise beim Thema "Alkane" kennen: Das einfachste Alkan, bei dem Isomere vorkommen, ist Butan (<chem>C4H10</chem>): Das eine Isomer (n-Butan) besteht aus einer Kette aus vier Kohlenstoffatomen, beim anderen Isomer hängt eine Methyl-Gruppe an einer Kette aus drei Kohlenstoffatomen (2-Methylpropan). Die beiden Moleküle sind '''Strukturisomere''' ('''Konstitutionsisomere'''): Um aus dem einen Isomer das andere zu machen, muss man Bindungen trennen und neu knüpfen. Weil die Molekülstrukturen der Isomere unterschiedlich sind, unterscheiden sich auch die Stoffeigenschaften, so hat beispielsweise n-Butan einen etwas höheren Siedpunkt als 2-Methylpropan.

====Stereoisomerie====
Anders als bei Strukturisomeren sind bei den Stereoisomeren die Atome in derselben Reihenfolge verknüpft, aber der räumliche Aufbau der Moleküle ist unterschiedlich. Bei den Stereoisomeren unterscheidet man verschiedene Varianten, von denen bei den Kohlenhydraten die beiden folgenden vorkommen: Verhalten sich zwei Stereoisomere wie Bild und Spiegelbild zueinander, so nennt man sie '''Spiegelbildisomere''' oder '''Enantiomere''' (aus dem Griechischen: enantios = entgegengesetzt). Verhalten sie sich nicht so, so nennt man sie '''Diastereomere'''.

Bei den Enantiomeren spricht man auch von '''Chiralität''' (von griech. cheir = Hand): Chirale Objekte sind zwar gleich aufgebaut, aber mit ihrem Spiegelbild nicht identisch, genau wie unsere Hände. Enantiomere sind also chiral.
{{Box|Merke|'''Strukturisomere '''(Konstitutionsisomere) haben dieselbe Summenformel, aber die Atome sind in unterschiedlicher Reihenfolge miteinander verbunden. '''Stereoisomere '''weisen dieselbe Verknüpfung der Atome auf, aber unterscheiden sich in ihrem räumlichen Aufbau. Bei den Stereoisomeren unterscheidet man '''Enantiomere '''(Spiegelbildisomere) und '''Diastereomere'''.|Merksatz
}}
{{Box
| Klasse = Üben|Üben - Wann sind Moleküle chiral?
| 2 = Wann sind Moleküle chiral?
Falls du einen Molekülbaukasten hast, baue zwei Methanmoleküle (<chem>CH4</chem>). Stelle sie einander wie Bild und Spiegelbild gegenüber und drehe anschließend eines der Modelle so, dass sie identisch aussehen.
Tausche nun bei beiden Modellen eines der Wasserstoffatome gegen ein anderes Atom aus (<chem>CH3X</chem>) und wiederhole das Aufstellen und Drehen der Modelle.
Tausche nun das nächste Wasserstoffatom gegen ein anderes aus, so dass insgesamt drei verschiedene Atomsorten ( = Substituenten) am zentralen Kohlenstoffatom hängen (<chem>CH2XY</chem>). Wiederhole das Aufstellen und Drehen der Modelle.
Wiederhole alles mit Molekülmodellen mit vier verschiedenen Substituenten (<chem>CHXYZ</chem>).
Überlege: Was ist die Voraussetzung dafür, dass es Enantiomere gibt?
}}
Falls du keinen Molekülbaukasten hast, kannst du die beschriebene Übung in folgenden Video ansehen und Fragen dazu beantworten.
{{h5p-zum|id=30824|height=200px}}

Halten wir fest: Spiegelbildisomere kann es nur dann geben, wenn es im Molekül mindestens ein Kohlenstoffatom mit vier unterschiedlichen Substituenten gibt. Ein Substituent ist hierbei definiert als alles, was mit einer Einfachbindung an ein Kohlenstoffatom gebunden ist, also Atome wie Wasserstoff oder Chlor, funktionelle Gruppen wie Amino- oder Hydroxy-Gruppen oder größere Molekülteile, z. B. sind bei Glucose die Kohlenstoffatome C1 und C2 mit allem, was daran gebunden ist, ein Substituent von C3. Bei ringförmigen Strukturen ist "Ring in die eine Richtung" ebenso ein Substituent wie "Ring in die andere Richtung".

Doch auch wenn in einem Molekül Stereozentren vorhanden sind, muss es nicht in jedem Fall zwei enantiomere Formen geben: Enthält das Molekül eine Drehspiegelachse, ist also auf bestimmte Weise in sich symmetrisch, dann ist es nicht chiral. Ein typisches Beispiel ist die Weinsäure (2,3-Dihydroxybutandisäure): Die Kohlenstoffatome C2 und C3 sind Stereozentren, man würde also vier Stereoisomere erwarten. Tatsächlich gibt es nur drei davon, nämlich die beiden Enantiomere D-Weinsäure und L-Weinsäure, außerdem die meso-Weinsäure, die zu ihnen diastereomer ist.
[[Datei:Drei Weinsäure-Isomere.png|alternativtext=Drei Isomere von Weinsäure|mini|Oben links: L-Weinsäure, oben rechts: D-Weinsäure, unten: meso-Weinsäure]]
{{Box|Merke|Enantiomere können dann auftreten, wenn ein Molekül Kohlenstoffatome mit vier unterschiedlichen Substituenten hat. Solche Kohlenstoffatome nennt man '''asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome''' oder '''Stereozentren'''.|Merksatz
}}
{{Box|Üben|Finde bei den folgenden Strukturformeln die Stereozentren und klicke sie an (Achtung, nicht alle Moleküle sind chiral!). Denke daran, dass alles, was durch eine Einfachbindung mit einem Kohlenstoffatom verbunden ist, ein Substituent ist, und dass "Ring in die eine Richtung" und "Ring in die andere Richtung" als verschiedene Substituenten gelten.|Üben
}}
{{h5p-zum|id=26524|height=200px}}
====Die Fischer-Projektion oder "Wie zeichnet man Stereoisomere?" ====
Vielleicht hast du schon gemerkt, dass es schwierig ist, bei zweidimensionalen Zeichnungen von Strukturformeln den räumlichen Aufbau zu erkennen. Heute verwendet man dafür üblicherweise Formeln, bei denen für die Bindungen statt einfacher Striche Keile verwendet werden, und zwar breiter werdende Keile für Bindungen, die nach vorne zeigen, und gestrichelte Keile für Bindungen, die nach hinten zeigen.

Keile sind allerdings schwieriger zu zeichnen als Striche, vor allem, wenn man noch keine modernen Computerprogramme zur Verfügung hat. Der Chemiker Emil Fischer, die unter anderem die räumliche Struktur der D-Glucose erforscht und aufgeklärt hat, entwickelte daher 1891 die nach ihm benannte '''Fischer-Projektion'''. Diese ermöglicht es, dreidimensionale Moleküle so zu zeichnen, dass eindeutig erkennbar ist, welche Substituenten welche räumliche Anordnung haben. Somit kann man natürlich auch leichter erkennen, ob es sich bei zwei Molekülen um Diastereomere oder Enantiomere handelt.

Wie funktioniert die Fischer-Projektion?

====== '''Regeln für die Fischer-Projektion:''' ======

# Die Kohlenstoffkette wird senkrecht geschrieben. Die Kohlenstoffatome müssen nicht als C hingeschrieben werden, sondern können weggelassen werden.
# Das am höchsten oxidierte Kohlenstoffatom steht (möglichst weit) oben. Die Rangfolge ist: (am höchsten oxidiert) -COOH > -CHO / -CO- > -CH<sub>2</sub>-OH (am wenigsten oxidiert) Bei Kohlenhydraten steht also die Aldehyd-Gruppe oben bzw. die Keto-Gruppe möglichst weit oben.
# Die senkrechten Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen der Kette zeigen jeweils nach hinten.
# Die waagerechten Bindungen zu den funktionellen Gruppen zeigen jeweils nach vorne.
# Die Bezeichnungen D- und L- wurden von den lateinischen Wörtern „dexter“ (= rechts) und „laevus“ (= links) abgeleitet. Sie beziehen sich auf die Stellung der funktionellen Gruppe an demjenigen asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom, das am weitesten unten steht.

====== Beispiel Glycerinaldehyd: ======
<gallery mode="packed-hover" heights="200">
Datei:Glycerinaldehyd Molekülmodelle.jpg|Molekülmodelle von D- und L-Glycerinaldehyd
Datei:DL-Glycerinaldehyd Fischerprojektion.svg|Fischerprojektion von D- und L-Glycerinaldehyd
Datei:Glycerinaldehyd-Enantiomere Molekülmodelle.jpg|Molekülmodelle von D- und L-Glycerinaldehyd als Bild und Spiegelbild
</gallery>Im Foto links liegen die Molekülmodelle so da, wie man die Moleküle in der Fischer-Projektion zeichnet (Aldehyd-Gruppe oben, senkrechte Bindungen zeigen nach hinten, waagerechte nach vorne). Daraus ergeben sich die in der Mitte gezeigten Fischer-Projektionen. Dreht man bei den Modellen das oberste und unterste Kohlenstoffatom um je 180° (Foto rechts), so sieht man, dass sich die Moleküle wie Bild und Spiegelbild verhalten. Es handelt sich also um Spiegelbildisomere (= Enantiomere).

====== Fischerprojektion von D-Glucose ======
Im folgenden Video wird sehr anschaulich mithilfe eines Molekülmodells erklärt, wie man von der Struktur (also hier vom korrekt zusammengebauten Molekülmodell) zur Fischer-Projektion kommt.
{{#ev:youtube|INqH2vzZXuA}}

Ob du alles verstanden hast und anwenden kannst, kannst du mit der folgenden Übung überprüfen, in der es um Isomeriearten bei Kohlenhydraten, die Fischer-Projektion und die räumliche Struktur der Glucose geht:
{{h5p-zum|id=30845|height=200px}}

{{Fortsetzung|
vorher=Was sind Kohlenhydrate?|
vorherlink=Definition Kohlenhydrate|
weiter=Wie unterscheidet man Enantiomere?|
weiterlink=Polarimetrie}}

Stereochemie Kohlenhydrate

2024-10-22T17:01:37Z

Brockmann:

Glucose ist eine '''Aldohexose''', also ein Zucker mit einer Aldehyd-Gruppe und insgesamt sechs Kohlenstoffatomen, an denen fünf Hydroxy-Gruppen gebunden sind. Da diese Aldohexosen '''asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome''' enthalten, tritt eine besondere Form der Isomerie auf, die '''Stereoisomerie'''. Das bedeutet, dass die Hydroxy-Gruppen an den vier mittleren Kohlenstoffatomen räumlich unterschiedlich angeordnet sind. Um die verschiedenen Aldohexosen unterscheiden zu können, zeichnet man sie in der '''Fischer-Projektion'''.

===Exkurs: Isomerie und Chiralität===
[[Datei:Butan Lewis.svg|alternativtext=Lewisformel von n-Butan|mini|n-Butan]]
[[Datei:Isobutan.png|alternativtext=Lewisformel von 2-Methylpropan|mini|2-Methylpropan]]
Isomere sind Moleküle, die dieselbe Summenformel, aber unterschiedliche Strukturformeln haben.

====Strukturisomerie====
Im Chemieunterricht lernt man das Phänomen der Isomerie normalerweise beim Thema "Alkane" kennen: Das einfachste Alkan, bei dem Isomere vorkommen, ist Butan (<chem>C4H10</chem>): Das eine Isomer (n-Butan) besteht aus einer Kette aus vier Kohlenstoffatomen, beim anderen Isomer hängt eine Methyl-Gruppe an einer Kette aus drei Kohlenstoffatomen (2-Methylpropan). Die beiden Moleküle sind '''Strukturisomere''' ('''Konstitutionsisomere'''): Um aus dem einen Isomer das andere zu machen, muss man Bindungen trennen und neu knüpfen. Weil die Molekülstrukturen der Isomere unterschiedlich sind, unterscheiden sich auch die Stoffeigenschaften, so hat beispielsweise n-Butan einen etwas höheren Siedpunkt als 2-Methylpropan.

====Stereoisomerie====
Anders als bei Strukturisomeren sind bei den Stereoisomeren die Atome in derselben Reihenfolge verknüpft, aber der räumliche Aufbau der Moleküle ist unterschiedlich. Bei den Stereoisomeren unterscheidet man verschiedene Varianten, von denen bei den Kohlenhydraten die beiden folgenden vorkommen: Verhalten sich zwei Stereoisomere wie Bild und Spiegelbild zueinander, so nennt man sie '''Spiegelbildisomere''' oder '''Enantiomere''' (aus dem Griechischen: enantios = entgegengesetzt). Verhalten sie sich nicht so, so nennt man sie '''Diastereomere'''.

Bei den Enantiomeren spricht man auch von '''Chiralität''' (von griech. cheir = Hand): Chirale Objekte sind zwar gleich aufgebaut, aber mit ihrem Spiegelbild nicht identisch, genau wie unsere Hände. Enantiomere sind also chiral.
{{Box|Merke|'''Strukturisomere '''(Konstitutionsisomere) haben dieselbe Summenformel, aber die Atome sind in unterschiedlicher Reihenfolge miteinander verbunden. '''Stereoisomere '''weisen dieselbe Verknüpfung der Atome auf, aber unterscheiden sich in ihrem räumlichen Aufbau. Bei den Stereoisomeren unterscheidet man '''Enantiomere '''(Spiegelbildisomere) und '''Diastereomere'''.|Merksatz
}}
{{Box
| Klasse = Üben|Üben - Wann sind Moleküle chiral?
| 2 = Wann sind Moleküle chiral?
Falls du einen Molekülbaukasten hast, baue zwei Methanmoleküle (<chem>CH4</chem>). Stelle sie einander wie Bild und Spiegelbild gegenüber und drehe anschließend eines der Modelle so, dass sie identisch aussehen.
Tausche nun bei beiden Modellen eines der Wasserstoffatome gegen ein anderes Atom aus (<chem>CH3X</chem>) und wiederhole das Aufstellen und Drehen der Modelle.
Tausche nun das nächste Wasserstoffatom gegen ein anderes aus, so dass insgesamt drei verschiedene Atomsorten ( = Substituenten) am zentralen Kohlenstoffatom hängen (<chem>CH2XY</chem>). Wiederhole das Aufstellen und Drehen der Modelle.
Wiederhole alles mit Molekülmodellen mit vier verschiedenen Substituenten (<chem>CHXYZ</chem>).
Überlege: Was ist die Voraussetzung dafür, dass es Enantiomere gibt?
}}
Falls du keinen Molekülbaukasten hast, kannst du die beschriebene Übung in folgenden Video ansehen und Fragen dazu beantworten.
{{h5p-zum|id=30824|height=200px}}

Halten wir fest: Spiegelbildisomere kann es nur dann geben, wenn es im Molekül mindestens ein Kohlenstoffatom mit vier unterschiedlichen Substituenten gibt. Ein Substituent ist hierbei definiert als alles, was mit einer Einfachbindung an ein Kohlenstoffatom gebunden ist, also Atome wie Wasserstoff oder Chlor, funktionelle Gruppen wie Amino- oder Hydroxy-Gruppen oder größere Molekülteile, z. B. sind bei Glucose die Kohlenstoffatome C1 und C2 mit allem, was daran gebunden ist, ein Substituent von C3. Bei ringförmigen Strukturen ist "Ring in die eine Richtung" ebenso ein Substituent wie "Ring in die andere Richtung".

Doch auch wenn in einem Molekül Stereozentren vorhanden sind, muss es nicht in jedem Fall zwei enantiomere Formen geben: Enthält das Molekül eine Drehspiegelachse, ist also auf bestimmte Weise in sich symmetrisch, dann ist es nicht chiral. Ein typisches Beispiel ist die Weinsäure (2,3-Dihydroxybutandisäure): Die Kohlenstoffatome C2 und C3 sind Stereozentren, man würde also vier Stereoisomere erwarten. Tatsächlich gibt es nur drei davon, nämlich die beiden Enantiomere D-Weinsäure und L-Weinsäure, außerdem die meso-Weinsäure, die zu ihnen diastereomer ist.
[[Datei:Drei Weinsäure-Isomere.png|alternativtext=Drei Isomere von Weinsäure|mini|Oben links: L-Weinsäure, oben rechts: D-Weinsäure, unten: meso-Weinsäure]]
{{Box|Merke|Enantiomere können dann auftreten, wenn ein Molekül Kohlenstoffatome mit vier unterschiedlichen Substituenten hat. Solche Kohlenstoffatome nennt man '''asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome''' oder '''Stereozentren'''.|Merksatz
}}
{{Box|Üben|Finde bei den folgenden Strukturformeln die Stereozentren und klicke sie an (Achtung, nicht alle Moleküle sind chiral!). Denke daran, dass alles, was durch eine Einfachbindung mit einem Kohlenstoffatom verbunden ist, ein Substituent ist, und dass "Ring in die eine Richtung" und "Ring in die andere Richtung" als verschiedene Substituenten gelten.|Üben
}}
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====Die Fischer-Projektion oder "Wie zeichnet man Stereoisomere?" ====
Vielleicht hast du schon gemerkt, dass es schwierig ist, bei zweidimensionalen Zeichnungen von Strukturformeln den räumlichen Aufbau zu erkennen. Heute verwendet man dafür üblicherweise Formeln, bei denen für die Bindungen statt einfacher Striche Keile verwendet werden, und zwar breiter werdende Keile für Bindungen, die nach vorne zeigen, und gestrichelte Keile für Bindungen, die nach hinten zeigen.

Keile sind allerdings schwieriger zu zeichnen als Striche, vor allem, wenn man noch keine modernen Computerprogramme zur Verfügung hat. Der Chemiker Emil Fischer, die unter anderem die räumliche Struktur der D-Glucose erforscht und aufgeklärt hat, entwickelte daher 1891 die nach ihm benannte '''Fischer-Projektion'''. Diese ermöglicht es, dreidimensionale Moleküle so zu zeichnen, dass eindeutig erkennbar ist, welche Substituenten welche räumliche Anordnung haben. Somit kann man natürlich auch leichter erkennen, ob es sich bei zwei Molekülen um Diastereomere oder Enantiomere handelt.

Wie funktioniert die Fischer-Projektion?

====== '''Regeln für die Fischer-Projektion:''' ======

# Die Kohlenstoffkette wird senkrecht geschrieben. Die Kohlenstoffatome müssen nicht als C hingeschrieben werden, sondern können weggelassen werden.
# Das am höchsten oxidierte Kohlenstoffatom steht (möglichst weit) oben. Die Rangfolge ist: (am höchsten oxidiert) -COOH > -CHO / -CO- > -CH<sub>2</sub>-OH (am wenigsten oxidiert) Bei Kohlenhydraten steht also die Aldehyd-Gruppe oben bzw. die Keto-Gruppe möglichst weit oben.
# Die senkrechten Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen der Kette zeigen jeweils nach hinten.
# Die waagerechten Bindungen zu den funktionellen Gruppen zeigen jeweils nach vorne.
# Die Bezeichnungen D- und L- wurden von den lateinischen Wörtern „dexter“ (= rechts) und „laevus“ (= links) abgeleitet. Sie beziehen sich auf die Stellung der funktionellen Gruppe an demjenigen asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom, das am weitesten unten steht.

====== Beispiel Glycerinaldehyd: ======
<gallery mode="packed-hover" heights="200">
Datei:Glycerinaldehyd Molekülmodelle.jpg|Molekülmodelle von D- und L-Glycerinaldehyd
Datei:DL-Glycerinaldehyd Fischerprojektion.svg|Fischerprojektion von D- und L-Glycerinaldehyd
Datei:Glycerinaldehyd-Enantiomere Molekülmodelle.jpg|Molekülmodelle von D- und L-Glycerinaldehyd als Bild und Spiegelbild
</gallery>Im Foto links liegen die Molekülmodelle so da, wie man die Moleküle in der Fischer-Projektion zeichnet (Aldehyd-Gruppe oben, senkrechte Bindungen zeigen nach hinten, waagerechte nach vorne). Daraus ergeben sich die in der Mitte gezeigten Fischer-Projektionen. Dreht man bei den Modellen das oberste und unterste Kohlenstoffatom um je 180° (Foto rechts), so sieht man, dass sich die Moleküle wie Bild und Spiegelbild verhalten. Es handelt sich also um Spiegelbildisomere (= Enantiomere).

====== Fischerprojektion von D-Glucose ======
Im folgenden Video wird sehr anschaulich mithilfe eines Molekülmodells erklärt, wie man von der Struktur (also hier vom korrekt zusammengebauten Molekülmodell) zur Fischer-Projektion kommt.
{{#ev:youtube|INqH2vzZXuA}}

Ob du alles verstanden hast und anwenden kannst, kannst du mit der folgenden Übung überprüfen, in der es um Isomeriearten bei Kohlenhydraten, die Fischer-Projektion und die räumliche Struktur der Glucose geht:
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{{Fortsetzung|
vorher="Was sind Kohlenhydrate?"|
vorherlink=[[Definition_Kohlenhydrate]]|
weiter="Wie unterscheidet man Enantiomere?"|
weiterlink=[[Polarimetrie]]}}

Stereochemie Kohlenhydrate

2024-10-22T17:00:13Z

Brockmann:

Glucose ist eine '''Aldohexose''', also ein Zucker mit einer Aldehyd-Gruppe und insgesamt sechs Kohlenstoffatomen, an denen fünf Hydroxy-Gruppen gebunden sind. Da diese Aldohexosen '''asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome''' enthalten, tritt eine besondere Form der Isomerie auf, die '''Stereoisomerie'''. Das bedeutet, dass die Hydroxy-Gruppen an den vier mittleren Kohlenstoffatomen räumlich unterschiedlich angeordnet sind. Um die verschiedenen Aldohexosen unterscheiden zu können, zeichnet man sie in der '''Fischer-Projektion'''.

===Exkurs: Isomerie und Chiralität===
[[Datei:Butan Lewis.svg|alternativtext=Lewisformel von n-Butan|mini|n-Butan]]
[[Datei:Isobutan.png|alternativtext=Lewisformel von 2-Methylpropan|mini|2-Methylpropan]]
Isomere sind Moleküle, die dieselbe Summenformel, aber unterschiedliche Strukturformeln haben.

====Strukturisomerie====
Im Chemieunterricht lernt man das Phänomen der Isomerie normalerweise beim Thema "Alkane" kennen: Das einfachste Alkan, bei dem Isomere vorkommen, ist Butan (<chem>C4H10</chem>): Das eine Isomer (n-Butan) besteht aus einer Kette aus vier Kohlenstoffatomen, beim anderen Isomer hängt eine Methyl-Gruppe an einer Kette aus drei Kohlenstoffatomen (2-Methylpropan). Die beiden Moleküle sind '''Strukturisomere''' ('''Konstitutionsisomere'''): Um aus dem einen Isomer das andere zu machen, muss man Bindungen trennen und neu knüpfen. Weil die Molekülstrukturen der Isomere unterschiedlich sind, unterscheiden sich auch die Stoffeigenschaften, so hat beispielsweise n-Butan einen etwas höheren Siedpunkt als 2-Methylpropan.

====Stereoisomerie====
Anders als bei Strukturisomeren sind bei den Stereoisomeren die Atome in derselben Reihenfolge verknüpft, aber der räumliche Aufbau der Moleküle ist unterschiedlich. Bei den Stereoisomeren unterscheidet man verschiedene Varianten, von denen bei den Kohlenhydraten die beiden folgenden vorkommen: Verhalten sich zwei Stereoisomere wie Bild und Spiegelbild zueinander, so nennt man sie '''Spiegelbildisomere''' oder '''Enantiomere''' (aus dem Griechischen: enantios = entgegengesetzt). Verhalten sie sich nicht so, so nennt man sie '''Diastereomere'''.

Bei den Enantiomeren spricht man auch von '''Chiralität''' (von griech. cheir = Hand): Chirale Objekte sind zwar gleich aufgebaut, aber mit ihrem Spiegelbild nicht identisch, genau wie unsere Hände. Enantiomere sind also chiral.
{{Box|Merke|'''Strukturisomere '''(Konstitutionsisomere) haben dieselbe Summenformel, aber die Atome sind in unterschiedlicher Reihenfolge miteinander verbunden. '''Stereoisomere '''weisen dieselbe Verknüpfung der Atome auf, aber unterscheiden sich in ihrem räumlichen Aufbau. Bei den Stereoisomeren unterscheidet man '''Enantiomere '''(Spiegelbildisomere) und '''Diastereomere'''.|Merksatz
}}
{{Box
| Klasse = Üben|Üben - Wann sind Moleküle chiral?
| 2 = Wann sind Moleküle chiral?
Falls du einen Molekülbaukasten hast, baue zwei Methanmoleküle (<chem>CH4</chem>). Stelle sie einander wie Bild und Spiegelbild gegenüber und drehe anschließend eines der Modelle so, dass sie identisch aussehen.
Tausche nun bei beiden Modellen eines der Wasserstoffatome gegen ein anderes Atom aus (<chem>CH3X</chem>) und wiederhole das Aufstellen und Drehen der Modelle.
Tausche nun das nächste Wasserstoffatom gegen ein anderes aus, so dass insgesamt drei verschiedene Atomsorten ( = Substituenten) am zentralen Kohlenstoffatom hängen (<chem>CH2XY</chem>). Wiederhole das Aufstellen und Drehen der Modelle.
Wiederhole alles mit Molekülmodellen mit vier verschiedenen Substituenten (<chem>CHXYZ</chem>).
Überlege: Was ist die Voraussetzung dafür, dass es Enantiomere gibt?
}}
Falls du keinen Molekülbaukasten hast, kannst du die beschriebene Übung in folgenden Video ansehen und Fragen dazu beantworten.
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Halten wir fest: Spiegelbildisomere kann es nur dann geben, wenn es im Molekül mindestens ein Kohlenstoffatom mit vier unterschiedlichen Substituenten gibt. Ein Substituent ist hierbei definiert als alles, was mit einer Einfachbindung an ein Kohlenstoffatom gebunden ist, also Atome wie Wasserstoff oder Chlor, funktionelle Gruppen wie Amino- oder Hydroxy-Gruppen oder größere Molekülteile, z. B. sind bei Glucose die Kohlenstoffatome C1 und C2 mit allem, was daran gebunden ist, ein Substituent von C3. Bei ringförmigen Strukturen ist "Ring in die eine Richtung" ebenso ein Substituent wie "Ring in die andere Richtung".

Doch auch wenn in einem Molekül Stereozentren vorhanden sind, muss es nicht in jedem Fall zwei enantiomere Formen geben: Enthält das Molekül eine Drehspiegelachse, ist also auf bestimmte Weise in sich symmetrisch, dann ist es nicht chiral. Ein typisches Beispiel ist die Weinsäure (2,3-Dihydroxybutandisäure): Die Kohlenstoffatome C2 und C3 sind Stereozentren, man würde also vier Stereoisomere erwarten. Tatsächlich gibt es nur drei davon, nämlich die beiden Enantiomere D-Weinsäure und L-Weinsäure, außerdem die meso-Weinsäure, die zu ihnen diastereomer ist.
[[Datei:Drei Weinsäure-Isomere.png|alternativtext=Drei Isomere von Weinsäure|mini|Oben links: L-Weinsäure, oben rechts: D-Weinsäure, unten: meso-Weinsäure]]
{{Box|Merke|Enantiomere können dann auftreten, wenn ein Molekül Kohlenstoffatome mit vier unterschiedlichen Substituenten hat. Solche Kohlenstoffatome nennt man '''asymmetrisch substituierte Kohlenstoffatome''' oder '''Stereozentren'''.|Merksatz
}}
{{Box|Üben|Finde bei den folgenden Strukturformeln die Stereozentren und klicke sie an (Achtung, nicht alle Moleküle sind chiral!). Denke daran, dass alles, was durch eine Einfachbindung mit einem Kohlenstoffatom verbunden ist, ein Substituent ist, und dass "Ring in die eine Richtung" und "Ring in die andere Richtung" als verschiedene Substituenten gelten.|Üben
}}
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====Die Fischer-Projektion oder "Wie zeichnet man Stereoisomere?" ====
Vielleicht hast du schon gemerkt, dass es schwierig ist, bei zweidimensionalen Zeichnungen von Strukturformeln den räumlichen Aufbau zu erkennen. Heute verwendet man dafür üblicherweise Formeln, bei denen für die Bindungen statt einfacher Striche Keile verwendet werden, und zwar breiter werdende Keile für Bindungen, die nach vorne zeigen, und gestrichelte Keile für Bindungen, die nach hinten zeigen.

Keile sind allerdings schwieriger zu zeichnen als Striche, vor allem, wenn man noch keine modernen Computerprogramme zur Verfügung hat. Der Chemiker Emil Fischer, die unter anderem die räumliche Struktur der D-Glucose erforscht und aufgeklärt hat, entwickelte daher 1891 die nach ihm benannte '''Fischer-Projektion'''. Diese ermöglicht es, dreidimensionale Moleküle so zu zeichnen, dass eindeutig erkennbar ist, welche Substituenten welche räumliche Anordnung haben. Somit kann man natürlich auch leichter erkennen, ob es sich bei zwei Molekülen um Diastereomere oder Enantiomere handelt.

Wie funktioniert die Fischer-Projektion?

====== '''Regeln für die Fischer-Projektion:''' ======

# Die Kohlenstoffkette wird senkrecht geschrieben. Die Kohlenstoffatome müssen nicht als C hingeschrieben werden, sondern können weggelassen werden.
# Das am höchsten oxidierte Kohlenstoffatom steht (möglichst weit) oben. Die Rangfolge ist: (am höchsten oxidiert) -COOH > -CHO / -CO- > -CH<sub>2</sub>-OH (am wenigsten oxidiert) Bei Kohlenhydraten steht also die Aldehyd-Gruppe oben bzw. die Keto-Gruppe möglichst weit oben.
# Die senkrechten Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen der Kette zeigen jeweils nach hinten.
# Die waagerechten Bindungen zu den funktionellen Gruppen zeigen jeweils nach vorne.
# Die Bezeichnungen D- und L- wurden von den lateinischen Wörtern „dexter“ (= rechts) und „laevus“ (= links) abgeleitet. Sie beziehen sich auf die Stellung der funktionellen Gruppe an demjenigen asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom, das am weitesten unten steht.

====== Beispiel Glycerinaldehyd: ======
<gallery mode="packed-hover" heights="200">
Datei:Glycerinaldehyd Molekülmodelle.jpg|Molekülmodelle von D- und L-Glycerinaldehyd
Datei:DL-Glycerinaldehyd Fischerprojektion.svg|Fischerprojektion von D- und L-Glycerinaldehyd
Datei:Glycerinaldehyd-Enantiomere Molekülmodelle.jpg|Molekülmodelle von D- und L-Glycerinaldehyd als Bild und Spiegelbild
</gallery>Im Foto links liegen die Molekülmodelle so da, wie man die Moleküle in der Fischer-Projektion zeichnet (Aldehyd-Gruppe oben, senkrechte Bindungen zeigen nach hinten, waagerechte nach vorne). Daraus ergeben sich die in der Mitte gezeigten Fischer-Projektionen. Dreht man bei den Modellen das oberste und unterste Kohlenstoffatom um je 180° (Foto rechts), so sieht man, dass sich die Moleküle wie Bild und Spiegelbild verhalten. Es handelt sich also um Spiegelbildisomere (= Enantiomere).

====== Fischerprojektion von D-Glucose ======
Im folgenden Video wird sehr anschaulich mithilfe eines Molekülmodells erklärt, wie man von der Struktur (also hier vom korrekt zusammengebauten Molekülmodell) zur Fischer-Projektion kommt.
{{#ev:youtube|INqH2vzZXuA}}

Ob du alles verstanden hast und anwenden kannst, kannst du mit der folgenden Übung überprüfen, in der es um Isomeriearten bei Kohlenhydraten, die Fischer-Projektion und die räumliche Struktur der Glucose geht:
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{{Fortsetzung|
vorher=Was sind Kohlenhydrate?|
vorherlink=[[Definition_Kohlenhydrate]]|
weiter=Wie unterscheidet man Enantiomere?|
weiterlink=[[Polarimetrie]]}}

2024-10-22T16:07:53Z

Brockmann:

Datei:Drei Weinsäure-Isomere.png

2024-10-22T16:03:56Z

Brockmann: ein Werk von Jü von https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Weins%C3%A4ure-Isomere_(drei).png mit dem Hochlade-Assistenten hochgeladen

=={{int:filedesc}}==
{{Information
|description={{de|1=Drei Isomere von Weinsäure (Skelett-/Keilformeldarstellung)}}
|date=2009-10-11
|source=https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Weins%C3%A4ure-Isomere_(drei).png
|author=Jü
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}}

=={{int:license-header}}==
{{cc-zero}}

[[Kategorie:Chemie]]
[[Kategorie:Strukturformel]]

Stereochemie Kohlenhydrate

2024-10-22T14:55:04Z

Brockmann:

Stereochemie Kohlenhydrate

2024-10-22T14:52:36Z

Brockmann:

2024-10-22T13:03:30Z

Brockmann: Brockmann lud eine neue Version von Datei:PVC Monomer und Polymer.svg hoch

{{Information
|description = Chlorethen in Lewisschreibweise, PVC als Kette mit 4 Repetiereinheiten und in abgekürzter Schreibweise
|source = Eigene Arbeit
|author = [[User:Brockmann|Brockmann]]
}}

== Lizenz ==
{{Bild-CC-by-sa/4.0/de}}[[Category:Chemie]]
[[Category:Kunststoffe]]
[[Category:Polymerisation]]

Datei:PVC Monomer und Polymer.svg

2024-10-22T12:57:42Z

Brockmann: Brockmann lud eine neue Version von Datei:PVC Monomer und Polymer.svg hoch

Oberstufen-Chemiebuch Kontextorientiert/Grundlagen der Polymer-Chemie

2024-10-22T12:48:32Z

Brockmann:

Diese Seite ist sehr theorielastig. Es geht hier darum, die Grundprinzipien der Polymerchemie zu verstehen. Dazu werden die Grundbegriffe relativ knapp und kompakt eingeführt. Anhand von Beispielen mit alltäglichen Kunststoffen werden dann diese Grundbegriffe aber genauer erläutert und vertieft. Ein wichtiger Aspekt, der hier eine Rolle spielt ist die Auswirkung der inneren Struktur und der Aufbau des Makromoleküls und die Auswirkung auf die Eigenschaften des Werkstoffs, den wir in der Nutzung und Untersuchung erleben.

== Grundbegriff Polymer ==
Ein Polymer (von griechisch πολύ poly ‚viel‘ und μέρος méros ‚Teil‘) ist ein chemischer Stoff, der aus Makromolekülen besteht. Die '''Makromoleküle''' eines Stoffes sind aus einer oder mehreren Struktureinheiten, den sogenannten '''Repetiereinheiten''' oder '''Wiederholeinheiten''', aufgebaut.

Als Beispiel sei das Polypropylen betrachtet:
<center>
{|style="text-align: center;"
|-
| style="width:200px;"| [[Datei:Polypropylene.svg|200px]]
| style="width:600px;"| [[File:Polypropylene syndiotactic mini trp.png|500px]]
|-
| '''Repetiereinheit''' des Polypropylen || '''Polymerkette''' des Polypropylens: man erkennt an der Hauptkette anhängen Seitenketten (hier: Methyl-Gruppen), die auch in der Reptiereinheit zu sehen sind.
|}
</center>

Das '''Adjektiv polymer''' bedeutet dementsprechend ''„aus vielen (gleichen) Teilen aufgebaut“''.

Ein Polymer besteht nie aus identischen Makromolekülen, da die Anzahl der Wiederholeinheiten und damit die Molekülmasse der Moleküle variiert.

== Einteilung der Polymere aufgrund der Repetiereinheiten ==
Die Repetiereinheiten der Polymere entstehen aus den der Verknüpfung von '''Monomeren'''. Monomere sind relativ kleine, reaktionsfähige Moleküle, die sich zu den Polymeren zusammenschließen können. Die Bildung von Polymeren aus einzelnen Monomeren erfolgt dabei über verschiedene Arten von sogenannten Polyreaktionen, wie die '''Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition'''.

Polymere können nach der Anzahl der Monomere, aus denen sie aufgebaut sind, eingeteilt werden:
* '''Homopolymere''' bestehen aus nur einer Monomerart wie das bei den wichtigen Polymeren wie Polyethylen, Polypropylen und Polyvinylchlorid. Ein natürliches Homopolymer ist Naturkautschuk als ein Polyisopren.
* '''Copolymere''' sind aus verschiedenen Monomeren aufgebaut, wie Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS), Styrol-Acrylnitril (SAN) oder Butylkautschuk. Die meisten Biopolymere sind Copolymere. Bei Copolymeren lässt sich über Syntheseweg die Anordnung der Repetiereinheiten recht genau festlegen, was zur Einteilung der Copolymere in verschiedene Typen führt.

<center>
{|style="text-align:center; font-size:90%;"
|-
| [[Datei:Statistical copolymer 3D.svg|270px|Statistisches Copolymer]]<br /> Statistisches Copolymer
| [[Datei:Gradient copolymer 3D.svg|270px|Gradientcopolymer]]<br /> Gradientcopolymer
| rowspan="2" | [[Datei:Graft copolymer 3D.svg|270px|Pfropfcopolymer]]<br /> Pfropfcopolymer
|-
| [[Datei:Alternating copolymer 3D.svg|270px|Alternierendes Copolymer]]<br /> Alternierendes Copolymer
| [[Datei:Block copolymer 3D.svg|250px|Blockcopolymer]]<br /> Blockcopolymer
|}</center>

* '''Polymerblends''' entstehen durch Mischen von unterschiedlichen Homopolymere und/oder Copolymeren. Hergestellt werden sie meist durch intensive mechanische Vermischung von geschmolzenen Polymeren, wobei sich ein homogenes Material ergibt.

<center>
{|class=wikitable style="text-align:left; font-size:90%;" width="80%"
|-
|align="center" colspan="4" |'''Beispiele Homo- und Copolymere und ihre Repetiereinheiten'''
|- style="vertical-align:top"
| [[Datei:Polystyrene skeletal.svg|80px|zentriert]]
| [[Datei:Poly(dimethylsiloxan).svg|100px|zentriert]]
| [[Datei:Styrol-Butadien-Kautschuk.svg|180px|zentriert]]
| [[Datei:PET.svg|200px|zentriert]]
|- style="vertical-align:top"
| '''Homopolymer''' Polystyrol: Eine Repetiereinheit, die sich ''n''-fach im Makromolekül wiederholt.
| '''Homopolymer''' Polydimethylsiloxan, ein Silikon. Die Hauptkette wird von Silicium- und Sauerstoffatomen gebildet.
| '''Copolymer''' Styrol-Butadien-Kautschuk: Die Monomeren Styrol und 1,3-Butadien bilden zwei Repetiereinheiten, die sich nach der Abbildung in beliebiger Reihenfolge in einem Makromolekül abwechseln können.
| Polyethylenterephthalat hat nur eine charakteristische Repetiereinheit, obwohl zur Synthese zwei Monomere eingesetzt werden müssen.
|}</center>
== Herstellung von Polymeren - die radikalische Polymerisation ==
Das Grundprinzip aller Herstellungsverfahren künstlichen Polymere ist die Herstellung eines Makromoleküls aus den Monomeren.

Die einfachste Variante ist die '''Polymerisation''', international üblicherweise auch '''Kettenpolymerisation''' genannt. Es bezeichnet alle chemischen Reaktionen, bei denen sich fortlaufend gleiche oder unterschiedliche Monomere an ein wachsendes Polymer zusammensetzen. Dabei findet weder eine Abspaltung von Nebenprodukten, noch eine Wanderung von Molekülgruppen innerhalb der Reaktionspartner statt. <u>Keine</u> Kettenpolymerisationen sind Polykondensationen (''Abspaltung von kleinen Molekülen'') und Polyadditionen (''Umgruppierung'').

Alle Arten von Polymerisationen beruhen im Wesentlichen auf drei Teilschritten:
* Einer '''Startreaktion''', bei der sich ein sogenanntes aktives Zentrum bildet, das der Ausgangspunkt für die Bildung des Makromoleküls ist.
* Die '''Wachstumsreaktion''', bei der die makromolekulare Kette durch wiederholte Anlagerung der Monomere immer länger wird. Dabei findet jedes Mal die gleiche Reaktion statt, wobei das aktive Zentrum sich in jedem Schritt an das bisherige "Ende" des Makromoleküls "verschiebt".
* Die '''Abbruchreaktion''', bei der das Wachstum der Kette durch verschiedene mögliche Reaktion beendet wird. Je nach Art des aktiven Zentrums sind verschiedene Abbruchreaktionen möglich.

Je nach Art der Startreaktion und der Art des aktiven Zentrums unterscheidet man zwischen radikalischer, kationischer und anionischer Polymerisationen. Wir betrachten nur einen Typ davon. Der Ablauf bei den anderen ist fast identisch.

=== Der Mechanismus der radikalischen Polymerisation ===
[[Datei:Elektronenvwerschiebung V1.svg|thumb|<small>Elektronenpaarverschiebung (links) und Einelektronenverschiebung (rechts)</small>.]]Unter einem Reaktionsmechanismus versteht man in der Chemie einen Prozess, der von den Edukten bis zum zu den Produkten immer ähnlich verläuft und bei dem Zwischenprodukte und Übergangszustände eindeutig definiert werden können. Dabei ist der Verlauf unabhängig vom genauen Ausgangsstoff sondern hängt nur davon ab, das bestimmte Bedingungen erfüllt sind. Meist sind das bestimmte Gruppierungen im Edukt oder zugesetzte Hilfschemikalien. Bei diesen Mechanismen spielen fast immer Elektronenbewegungen eine Rolle. Die Verschiebung und Umlagerung von einzelnen Elektronen oder Elektronenpaaren werden meist mit geschwungenen Pfeilen (↷) angedeutet (''siehe auch rechts!'').

Zum ''Kettenstart'' der Polymerisation wird ein Starter zugegeben, der sehr instabil ist und in zwei Radikale zerfällt. Ein solches Radikal greift die Mehrfachbindung an, indem das Elektronenpaar der Doppelbindung aufgespalten wird. Das Radikal R bindet sich mit Hilfe eines der Elektronen der Doppelbindung an das eine Kohlenstoff-Atom und dabei bleibt am zweiten Kohlenstoff-Atom der Doppelbindung ein einzelnes Elektron zurück. Dieses zweite Kohlenstoff-Atom ist damit nun selber ein Radikal.

:[[Datei:RadikalischeKettenpolymerisation Start.svg|rahmenlos|hochkant=1.7|Mechanismus der Startreaktion bei einer radikalischen Polymerisation]]

An dieses Ausgangsradikal lagern sich nun in einer ''Wachstumsreaktion'', ohne das eine weitere Zufuhr von Aktivierunsenergie notwendig ist, ständig mehr Monomere an. Dabei findet, wie bei der Startreaktion, durch den Angriff des readikalischen Kohlenstoff-Atoms an ein Monomer, bei diesem immer eine Spaltung der Doppelbindung und Umlagerung der einzelnen Elektronen statt. Diese Reaktion kann theoretisch immer so weiter ablaufen, bis schließlich das Monomer aufgebraucht ist.

:[[Datei:RadikalischeKettenpolymerisation Wachstum.svg|rahmenlos|hochkant=3.1|Mechanismus der Wachstumsreaktion bei einer radikalischen Kettenpolymerisation]]

Bei der radikalischen Polymerisation sind zwei einfache Reaktionen denkbar, bei denen zu einem ''Abbruch der Kettenreaktion'' ohne weiteres Zutun kommt. In beiden Fällen "verschwindet" das Radikal und somit kann die Wachstumsreaktion nicht mehr weiter ablaufen.

<u>1. Möglichkeit:</u> Beim das Zusammentreffen zweier Radikale bilden beide einzelnen Atome zusammen eine Elektronenpaarbindung.

:[[Datei:RadikalischeKettenpolymerisation Abbruch Kombination.svg|rahmenlos|hochkant=3.1|Mechanismus der Abbruchsreaktion durch Disproportionierung bei einer radikalischen Kettenpolymerisation]]

<u>2. Möglichkeit:</u> Innerhalb eines der Radikale findet die Bildung einer Doppelbindung statt und das dabei freiwerdende Wasserstoff-Radikal bindet sich an ein anderes Radikal. Hier ist zu beachten, dass der eine Pfeil nicht nur einen Elektronenumlagerung sondern auch die Umlagerung des Wasserstoffs bewirkt, zu dem das Elektron gehört.

:[[Datei:RadikalischeKettenpolymerisation Abbruch Disproportionierung.svg|rahmenlos|hochkant=3.1|Mechanismus der Abbruchsreaktion durch Disproportionierung bei einer radikalischen Kettenpolymerisation]]

Wie lang die Ketten werden, hängt im wesentlichen nicht davon ab, wieviel des Monomers man zur Verfügung stellt. Man kann die Kettenlänge aber steuern und das sollte leicht erklärbar sein.

{{Box|Aufgabe 1|Die Kettenlänge der Makromoleküle ist niemals bei allen Molekülen identisch. Allerdings kann man die durchschnittliche Länge der Ketten steuern, indem man die Menge an Radikal-Starter variiert. Daher die Frage:
* Wie wirkt sich die Zugabe einer größeren Menge an Radikalstarter auf die durchschittliche Kettenlänge der Makromoleküle aus? Werden sie länger oder kürzer?
Begründe deine Antwort!|Üben}}

Es gibt auch sogenannte Kettenüberträger, die gezielt zu bestimmten Zeitpunkten der Polymerisation zugegeben werden, um das aktive Zentrum einer wachsenden Polymerkette auf ein anderes Molekül zu übertragen.
:P• + XR → PX + R•
::<small>''P = Polymerkette, XR = Kettenüberträger''</small>

=== Übungsaufgaben zu Monomeren und Polymeren ===
Zunächst einmal ist die Art der Polymerisation für uns nicht von großer Bedeutung, denn welche Art der Polymerisation genutzt wird, ist eher ein praktisches Problem, das wir nicht nachvollziehen können und müssen. Es spielt für die Industrie natürlich schon ein Rolle.

Wir konzentrieren uns erst einmal auf mögliche Edukte und Produkte einer Polymerisation. Bei den folgenden Aufgaben geht es darum zu einem '''Monomer''' das passende '''Polymer''' zu suchen und umgekehrt, außerdem wird die '''Repetiereinheit''' betrachtet. Hier werden anhand des Polypropylens noch einmal die wichtigen Begriffe und ihr Zusammenhang gezeigt, damit klar ist, was ihr bei den folgenden Aufgaben bestimmen sollt:

[[Datei:Zusammenhang Monomer Polymer und Repetiereinheit beim Polypropylen.svg]]

{{Box|Aufgabe 2|Polyethylen wird aus dem Monomer Ethylen bzw. Ethen gebildet. Zeichne eine Polymerkette, die aus 5 Monomeren gebildet wird.

{{Lösung versteckt|{{Box|LÖSUNG - AUFGABE 2|2=
<center>[[Datei:PE-Polymer aus 5 Monomeren.svg|500px]]</center>
|3=Lösung}}}}|Üben
}}

{{Box|Aufgabe 3
| 2 = a.) '''PVC''' (= Polyvinychlorid) ist das drittwichtigste Polymer und ist besonders beständig gegen Sonnenlicht und andere Witterungseinflüsse. Es wird aus dem Monomer CH<sub>2</sub>=CHCl gebildet.
* Zeichne eine Polymerkette, die 4 Repetiereinheiten enthält und schreibe das Polymer kurz mit Hilfe der Repetiereinheit.
* Gib den Namen des Monomers an.
::'''''TIPP:''' Schreibe das Monomer erst einmal in die Lewisschreibweise um, statt in der gegebenen Halbstrukturschreibweise.''

{{Lösung versteckt|{{Box|LÖSUNG - AUFGABE 3a|2=
<center>[[Datei:PVC Monomer Polymer.png|500x500px]]</center>|3=Lösung}}}}

[[Datei:Acrylamid.svg|right|150px]]
b.) Das Monomer '''Acrylamid''' ''(siehe rechts)'' bildet wasserlösliche Polymerketten. Es wird auch für die Herstellung von Superabsorbern in Windeln genutzt.
* Zeichne zunächst das Monomer in Lewisschreibweise so, dass die Doppelbindung waagerecht "liegt" und die andere Atome entsprechend daran hängen.
* Zeichne eine Polymerkette, die 4 Repetiereinheiten enthält und schreibe das Polymer kurz mit Hilfe der Repetiereinheit.
* Wie ist der Name des Polymers?

{{Lösung versteckt|{{Box|LÖSUNG - AUFGABE 3b|2=|3=Lösung}}}}
<center></center>
| 3 = Üben
}}

{{Box|Aufgabe 4|Schreibe die angegebenen Poylmerketten mit Hilfe einer Repetiereinheit auf und bestimme das Monomer dazu.
* Schreibe zuerst die angegebene Skelettschreibweise um, in die Lewisschreibweise (zumindest alle C-Atome aufschreiben) und zeichne die Hauptkette gerade/waagrecht ein.
* Markiere dann die Repetiereinheit!

<center>[[Datei:PMMA-chain.png|300px]]</center>

{{Lösung versteckt|{{Box|LÖSUNG - AUFGABE 4|2=
[[Datei:Gemischte Aufgabenstellungen zu den Polymeren Lösung PMMA.svg|500px]]
|3=Lösung}}}}
| 3 = Üben
}}

{{Box|Aufgabe 5|Hier ist der Ausschnitt eines Co-Polymers zu sehen. Bestimme die Repetiereinheit und daraus die zwei Monomere. Gib deren Namen an.
{{Lösung versteckt|{{Box|LÖSUNG - AUFGABE 5|2=
<center>[[Datei:Gemischte Aufgabenstellungen zu den Polymeren Lösung Copolymer Buten und Propen 01.svg|500px]]</center>
|3=Lösung}}}}
| 3 = Üben
}}

{{Box|Aufgabe 6|Zu den zwei gegebenen Monomere soll die Polymerkette eines alternierenden Co-Polymers gezeichnet werden.
{{Lösung versteckt|{{Box|LÖSUNG - AUFGABE 6|2=|3=Lösung}}}}
| 3 = Üben
}}

===Einsatz von Katalysatoren===
Von der Definition her, sind Katalysatoren sicherlich bekannt unter der folgenden Definition:

{{Box|Katalysator|Als Katalysator bezeichnet man in der Chemie einen Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit durch die Senkung der Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion erhöht, ohne dabei selbst verbraucht zu werden.|Hervorhebung1
}}

Bei der Herstellung von Kunststoffen haben Katalysatoren üblicherweise zwei mögliche Einsatzgebiete:
*Durch die '''Senkung der Aktivierungsenergie''' kann die Polymerisation schon bei Normal-Temperatur stattfinden. Das führte zum Beispiel beim Polyethylen dazu, das man statt dem bisher bei hohen Temperatur erzeugten Polyethylen mit vielen größeren Seitenketten, mit Hilfe des '''Ziegler-Natta-Katalysators''' bei Raumtemperaturen ein nahezu ganz lineares Molekül erzeugen konnte.
:Der Katalysator hält das "Ende" der Polymerkette und ebenso ein Monomer "fest", aktiviert sie bringt sie so in Kontakt und erleichtert so die Reaktion.
<center>[[Datei:Ziegler-Natta-Mechanismus.svg]]</center>

*Ist das Monomer unsymmetrisch können die Seitenketten der einzelnen Monomere räumlich unterschiedlich an der langen Kette hängen. Diese als '''Taktizität''' bezeichnete Eigenschaft des Molekül-Aufbaus hat eine durchaus große Auswirkung auf die Eigenschaften des Polymers. Das folgende Bild zeigt drei Varianten der Taktizität.

<center>[[Datei:Polystyrol-ais.jpg]]</center>

:Der Katalysator sorgt nicht nur für eine vereinfachte Reaktion, sondern bewirkt auch eine regelmäßige Anordnung der Seitenketten, da die Monomere immer von der gleichen Seite an die Kette angefügt werden.

===Versuch: Herstellung von Plexiglas ===
Polymethylmethacrylat oder kurz PMMA ist auch unter dem Namen Acrylglas bekannt. Vom Chemiker Otto Röhm aus Darmstadt ''(heute die Firma Evonik/Röhm'') wurde es 1933 unter dem Namen '''Plexiglas''' als Patent angemeldet. In der DDR verwendete man die Bezeichnung O-Glas (für „organisches Glas“).

Üblicherweise wird Acrylglas auch industriell über eine radikalische Polymerisation mit Hilfe des Initiators Dibenzoylperoxid hergestellt. Die dadurch entstehende Makromoleküle sind völlig '''amorph''' und '''ataktisch'''.

[[Datei:PMMA-chain.png|400px]]

Dibenzolyperoxid ist ein organisches Peroxid, das schon bei geringster Wärmezufuhr in zwei gleiche Radikale zerfällt, die dann Kohlendioxid abspalten.

[[Datei:Dibenzoylperoxid-Zerfall.svg|100%]]

{{Box|EXPERIMENT Herstellung von Plexiglas|'''Material:''' {{Sicherheitsinfo|Schutzbrille|GHSBrennbar|GHSGesundheitsgefahr|GHSExplosiv}}
* Reagenzglas
* Becherglas mit Wasser auf Heizplatte
* Uhrglas, dass mit Alufolie ausgekleidet ist
* 5 ml Methacrylsäuremethylester
* 2 Spatelspiten Dibenzoylperoxid

'''Durchführung:'''
# In das Reagenzglas werden etwa 5 ml Methacrylsäuremethylester und 2 Spatelspitzen Dibenzoylperoxid gegeben.
# Die Lösung wird im Wasserbad erwärmt. Sobald man eine Reaktion zu beobachten kann, wird das Reagenzglas aus dem Wasserbad herausgenommen und die Masse auf die Alufolie ausgegossen und man wartet, bis sich das Material verfestigt hat.

'''Entsorgung:'''
:Das Reagenzglas kann nach dem Abkühlen in den Restmüll entsorgt werden.|Experimentieren
}}

==Die Struktur der Polymere==
Ein sehr großen Einfluss auf die Eigenschaften des Polymers hat die Grundstruktur des Makromoleküls. Auch bei gleichem Monomer gibt es dabei verschiedene Varianten-
*Es können sich '''lineare Makromoleküle''' bilden, die nur aus einer Polymerkette bestehen. Im Fall von '''Polyethylen''' z.B. ist die Hauptkette ein langkettiges, unverzweigtes Alkan.
*Bei entsprechenden Reaktionsbedingungen bilden sich auch '''verzweigte Makromoleküle''' mit einer Hauptkette und Seitenketten, bei verzweigtem Polyethylen wären es dann Alkylreste.

Neben der Kettenlänge bestimmt auch der '''Verzweigungsgrad''' Dichte, Festigkeit und Schmelzpunkt des Polymers. Je nach Anordnung der verschiedenen Molekülketten im Material kann es zu unterschiedlich starken Wechselwirkungen dazwischen kommen. Wenn nicht polare Gruppierungen enthalten sind, spielen nur die Van-der-Waals-Kräfte dabei eine Rolle.

Ungeordnete und stark verzweigte Polymere sind '''amorph''', die Moleküle im Feststoff können nur ungeordnet miteinander wechselwirken. Unverzweigte Makromoleküle können als Feststoff eine '''teilkristalline Struktur''' ausbilden, bei der aufgrund einer parallelen Anordnung der Molekülketten relativ starke Van-der-Waals-Kräfte wirken können.

Während verzweigte und unverzweigte Polymere in der Regel sogenannte '''Thermoplaste''' sind, liegen bei den '''Elastomeren''' eine weitmaschige Vernetzung zwischen den „Hauptketten“ vor. Eine '''engmaschige Vernetzung''' führt hingegen zu Duroplasten.

<center>
<gallery widths="190" heights="170">
Datei:Polymerstruktur-linear.svg|lineares, unverzweigtes Makromolekül
Datei:Polymerstruktur-verzweigt.svg|verzweigtes Makromolekül
Datei:Polymerstruktur-teilkristallin.svg|teilkristalline Struktur linearer Polymere
Datei:Polymerstruktur-weitmaschig vernetzt.svg|weitmaschig vernetztes Polymer
Datei:Polymerstruktur-engmaschig vernetzt.svg|engmaschig vernetztes Polymer
</gallery>
<small>Vernetzungen und Verzweigungen sind in den Abbildungen als rote Punkte dargestellt. Die roten, parallel liegenden Streifen sind die kristallinen Bereiche.</small>
</center>

===Einteilung in Thermoplasten, Elastomere und Duroplasten===
Grob werden alle Polymere in drei Gruppen eingeteilt, mit denen ihre grundlegenden Eigenschaften beschrieben werden.

<div class="grid">
<div class="width-1-2">
Die '''Thermoplasten''' haben ihre Namen davon, dass sie bei '''Erwärmung plastisch''' werden, also verformt werden können.

Damit dies möglich ist, darf es zwischen den einzelnen Kettenmolekülen keine stabilen Verbindungen in Form von Atombindungen geben. Besteht zwischen den einzelnen Kettenmolekülen nur eine Anziehung über Van-der-Waals-Kräfte oder Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, so lösen sich diese beim Erwärmen, wenn die Ketten aus durch die Erwärmung in Schwingung geraten. Eine Atombindung kann dagegen bei "normalen" Temperaturen nicht gelöst werden.

Zu den Thermoplasten gehören solche Kunststoffe wie das Polyethylen und das Polypropylen.
</div>

<div class="width-1-4">[[File:Polymerstruktur-linear.svg]] <br />''Nicht vernetzte Ketten, die einfach quer durcheinander liegen.''</div>
<div class="width-1-4">[[File:Polymerstruktur-verzweigt.svg]]<br />'' Auch Seitenketten ändern nichts daran, dass es keine feste Verbindungen gibt.''</div>
</div>

<div class="grid">
<div class="width-1-2">Bei den '''Elastomeren''' handelt es sich um formfeste (''also nicht flüssige''), aber '''elastisch verformbare''' Kunststoffe, die bei Normaltemperatur quasi noch nicht steif gefroren sind (''Glasübergang''). Als elastisch bezeichnet man ein Material, dass unter Zug- und Druckbelastung seine Form verändert und bei Wegfall der einwirkenden Kraft in seine ursprüngliche, unverformte, Gestalt zurückkehrt (''Beispiele: Sprungfeder, Gummi'').

Ursache der Elastizität ist die typische Struktur von Elastomeren, bei denen es zwischen den einzelnen Kohlentoffketten in größeren Abständen Atombindungen gibt. Bei Krafteinwirkung kann der geknäulte, nicht verknüpfte Anteil der Polymerketten entflechtet und somit langgezogen werden. Nach Wegfall der Zugbelastung entspannen die Ketten und kehren in ihren bevorzugten, knäuelartigen, Zustand zurück. Man beachte, dass das nur geht, weil die Schmelztemperaturen der Elastomere niedriger sind als bei den Thermoplasten.
</div>
<div class="width-1-2"><center>[[File:Polymerstruktur-weitmaschig vernetzt.svg]]</center><br />
''Durch die weiträumige Vernetzung kann der Stoff zwar etwas verformt werden, aber nicht dauerhaft umgeformt werden.''<br />
<center>[[File:Polymerstruktur-weitmaschig vernetzt-gestreckt.svg]]</center>
</div>
</div>

<div class="grid">
<div class="width-1-2">
'''Duroplaste''' sind Kunststoffe, die nach ihrer Aushärtung '''nicht mehr verformt werden können'''. Sie haben also eine dauerhafte Struktur und sind nicht wie die Thermoplaste durch Erwärmen verformbar. Außerdem sind sie meist hart und unlöslich in alle möglichen Lösungsmittel.

Der Grund dafür ist, dass die Polymer-Ketten über viele Atombindungen miteinander verknüpft sind. Damit man Werkstücke in einer ebstimmten Form bekommt, werden meist Vorprodukte verwendete, die noch schmelzbar oder löslich sind (''meist sind es Kunstharze'') weil sie noch nicht engmasching vernetzt sind, aber Vernetzungsmöglichkeiten haben. Mit Hilfe von Härtern und evtl. Katalysatoren oder auch hohe Temperaturen polymerisieren sie dann in ihrer Form.

Da die Atombindungen stabil sind, können Sie nicht durch einfaches Erwärmen geschmolzen werden. Erst sehr hohe Temperaturen können die Atombindungen zerstören, wodurch aber die innere Struktur des Material unwiderbringbar zerstört wird und somit keine Umformung, wie bei den Thermoplasten möglich ist.
</div>
<div class="width-1-2"><center>[[File:Polymerstruktur-engmaschig vernetzt.svg]]</center><br />''Es gibt eine engmaschige Verknüpfung nebeneinanderliegender Polymerketten mit Atombindungen.''</div>
</div>

{{Box|Aufgabe 7|'''Informiere dich über die Wiederverwertbarkeit/Recycling der verschiedenen Arten von Kunststoffen.''' Einige Informationen, die wichtig dafür sind, solltest du schon aus den Texten bekommen haben. Informiere dich zum Beispiel über die Möglichkeit, ob und wie man Elastomere dauerhaft in eine neue Form bringen kann. Begründe deine Antworten ausführlich, mit ganzen Sätzen.|Üben
}}

====Teilkristalline Polymere====
[[Datei:Polymerstruktur-teilkristallin.svg|right]]
Bei thermoplastischen Polymeren gibt es noch zwei Untervarianten. Denn auch wenn es keine Atombindungen zwischen den Makromolekülen gibt, so können sie sich doch stark anziehen, dass sich strukturierte Bereiche, mit parallel liegenden Ketten, bilden. Ist das der Fall, so hat man ein '''teilkristallines''' Polymer. Dem gegenüber stehen die '''amorphen''' Polymere, also solche, bei denen die Makromoleküle einfach ungeordnet durcheinander liegen. Das entspricht einem normalen Thermoplast.

Ob ein Polymer teilkristallin ist oder amorph hat auf einige Eigenschaften eine wesentliche Auswirkung. Das werden wir an konkreten Beispielen dann genauer besprechen.

Die Entstehung von teilkristalline Bereichen hängt entweder von der Verarbeitung ab oder vom Molekülbau. Bei der Verarbeitung werden zum Beispiel für Fasern durch Verstreckung (''also langziehen'') die Molekülketten zum Teil parallel angeordnet. Beim Molekülbau können stark polare Seitenketten eine starke Anziehung bewirken, die dann zu einer parallelen Anordnung der Ketten führt.

===Transparenz von Kunststoffen===
Zu Beginn klären wir kurz zwei wichtige Begriffe:

{{Box|HINWEIS: Transparent und Opak|Ein Stoff ist '''transparent''', wenn er durchscheinend ist.

Ein Stoff ist ist '''opak''', wenn er nicht durchscheinend ist.|Hervorhebung1
}}

<div class="grid">
<div class="width-1-2">Damit ein Stoff transparent sein kann, müssen Lichtstrahlen, ohne gebrochen zu werden, durch den Stoff hindurch kommen können. Nur dann ist ein "Bild" erkennbar.

Denn wenn die Lichtstrahlen zwar durchkommen, aber nicht in geordneter Form, weil sich ihre Richtung chaotisch ändert, dann kann man vielleicht Helligkeitsunterschiede erkennen, aber nicht was genau dort zu sehen sein müsste.</div>
<div class="width-1-2">[[Datei:Fénytörés.jpg|400px]]</div>
</div>

Ein bekannter transparenter Stoff ist Glas. Gewöhnlich wird Glas durch Schmelzen erzeugt. Physikalisch wird Glas als gefrorene, unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet, die sehr schnell abgekühlt wurde. Das bedeutet, dass sich bei der Erstarrung der Schmelze zum Glas zwar Kristallkeime bilden, für eine vollständige Kristallisation jedoch nicht genügend Zeit bleibt.

Das erstarrende Glas ist zu schnell fest, um noch eine Umordnung der Bausteine zu einem regelmäßig angeordneten Kristall zu erlauben. Vereinfachend entspricht somit der atomare Aufbau eines Glases in etwa dem einer Flüssigkeit. Glas ist daher eine amorphe Substanz, d.h. man hat keine geordnete Struktur.

<center>
<gallery heights="300" widths="300" style="text-align:center">
File:Piasek kwarcowy.jpg|Eines der Rohstoffe zur Glasgewinnung, Quarzsand SiO<sub>2</sub>
Datei:Calcite.jpg|Das Mineral Calcit ist zwar transparent, aber durch eine doppelte Brechung an den Grenzflächen erscheint das Bild dahinter doppelt.
</gallery>
</center>

Damit ein Polymer transparent ist, müssen wir also ähnliche Bedingungen wie im Glas haben, nämlich dass wir eine möglichst ungeordnete Struktur haben. Daher können nur amorphe Polymere transparent sein. Umgekehrt führen teilkristalline Bereiche dazu, dass ein Polymer nicht transparent ist. Als Begründung sollen die zwei folgenden Bilder dienen:

<center>
<gallery heights="300" widths="300" style="text-align:center">
File:Polymerstruktur-teilkristallin mit Lichteinfall.svg|Im Bereich der Kristallite existieren Strukturen, die Lichtstrahlen reflektieren können können. Dies führt dazu, dass das Licht, wenn, dann nur gestreut, das Material durchdringen kann.
File:Polymerstruktur-amorph mit Lichteinfall.svg|Eine amorphe Anordnung bietet keine Stellen, an denen Lichtstrahlen reflektiert werden können.
</gallery>
</center>

<div class="grid">
<div class="width-1-2">So ist es nicht unbedingt die Art der Monomere, die bestimmt, ob ein Poylmere transparent ist oder nicht, sondern vor allem von der Anordnung der Polymerketten untereinander.

Im Bild sieht man eine Probe von PET (Polyethylenterephthalat), dass man vor allem von Kunststoffflaschen kennt. Normalerweise transparent (''also amorph'') kann kruzfristiges Erhitzen an einer Stelle dazu führen dass dort ein Kristiallisationsprozess einsetzt, der bewirkt, dass PET nicht mehr transparent ist.

Ein weiterer Grund dafür, dass teilkristalline Polymere nicht transparent sind ist, dass die zwischen den kristallinen Bereichen liegenden amorphen Gebieten eine andere optische Dichte haben als, die ebenfalls zu einer Brechnung des Lichtstrahl führt.
</div>
<div class="width-1-2">[[File:Pet plastic crystallisation.jpg]]</div></div>

Typisch an transparenten Kunststoffen ist, dass ist meist Monomere mit sehr große und starre Seitenketten haben oder selber sehr groß sind. Dies kann dazu beitragen, dass die Anordnung der Ketten eher Dazu als Beispiel zwei Kunststoffe, die meist aufgrund ihrer Transparenz genutzt werden.

<gallery heights="300" widths="300" style="text-align:center">
File:Polystyrene linear.svg|'''Polystrol (PS)''' hat als Seitengruppe einen großen Benzolring. Die tatsächliche Anordnung der Kette und der Seitengruppen ist natürlich in Realität etwas anders.
Datei:Isotactic-polystyrene-chain-from-xtal-3D-balls.png|Die Benzolringe versuchen sich untereinander aus dem Weg zu gehen. Im Idealfall kann das ganz regelmäßig werden, aber nur wenn das Material langsam abkühlt.
Datei:Isotactic-polystyrene-chain-from-xtal-3D-vdW.png|Hier sieht man noch einmal im Kalottenmodell, wie viel Platz die Benzolringe einnehmen.
File:PET.svg|Das '''Polyethylenterephthalat (PET)''' hat eine Repetiereinheit, die aufgrund von vielen Benzol-Ringen recht unflexibel ist.
</gallery>

[[Kategorie:Kunststoffe]]
[[Kategorie:Organische Chemie]]
[[Kategorie:Chemie]]

Datei:PVC Monomer Polymer.png

2024-10-22T12:47:55Z

Brockmann: Hochgeladen mit VisualEditor Seite

Oberstufen-Chemiebuch Kontextorientiert/Grundlagen der Polymer-Chemie

2024-10-22T12:45:24Z

Brockmann: Lösung zu Aufgabe 2 und 3a eingefügt

Diese Seite ist sehr theorielastig. Es geht hier darum, die Grundprinzipien der Polymerchemie zu verstehen. Dazu werden die Grundbegriffe relativ knapp und kompakt eingeführt. Anhand von Beispielen mit alltäglichen Kunststoffen werden dann diese Grundbegriffe aber genauer erläutert und vertieft. Ein wichtiger Aspekt, der hier eine Rolle spielt ist die Auswirkung der inneren Struktur und der Aufbau des Makromoleküls und die Auswirkung auf die Eigenschaften des Werkstoffs, den wir in der Nutzung und Untersuchung erleben.

== Grundbegriff Polymer ==
Ein Polymer (von griechisch πολύ poly ‚viel‘ und μέρος méros ‚Teil‘) ist ein chemischer Stoff, der aus Makromolekülen besteht. Die '''Makromoleküle''' eines Stoffes sind aus einer oder mehreren Struktureinheiten, den sogenannten '''Repetiereinheiten''' oder '''Wiederholeinheiten''', aufgebaut.

Als Beispiel sei das Polypropylen betrachtet:
<center>
{|style="text-align: center;"
|-
| style="width:200px;"| [[Datei:Polypropylene.svg|200px]]
| style="width:600px;"| [[File:Polypropylene syndiotactic mini trp.png|500px]]
|-
| '''Repetiereinheit''' des Polypropylen || '''Polymerkette''' des Polypropylens: man erkennt an der Hauptkette anhängen Seitenketten (hier: Methyl-Gruppen), die auch in der Reptiereinheit zu sehen sind.
|}
</center>

Das '''Adjektiv polymer''' bedeutet dementsprechend ''„aus vielen (gleichen) Teilen aufgebaut“''.

Ein Polymer besteht nie aus identischen Makromolekülen, da die Anzahl der Wiederholeinheiten und damit die Molekülmasse der Moleküle variiert.

== Einteilung der Polymere aufgrund der Repetiereinheiten ==
Die Repetiereinheiten der Polymere entstehen aus den der Verknüpfung von '''Monomeren'''. Monomere sind relativ kleine, reaktionsfähige Moleküle, die sich zu den Polymeren zusammenschließen können. Die Bildung von Polymeren aus einzelnen Monomeren erfolgt dabei über verschiedene Arten von sogenannten Polyreaktionen, wie die '''Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition'''.

Polymere können nach der Anzahl der Monomere, aus denen sie aufgebaut sind, eingeteilt werden:
* '''Homopolymere''' bestehen aus nur einer Monomerart wie das bei den wichtigen Polymeren wie Polyethylen, Polypropylen und Polyvinylchlorid. Ein natürliches Homopolymer ist Naturkautschuk als ein Polyisopren.
* '''Copolymere''' sind aus verschiedenen Monomeren aufgebaut, wie Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS), Styrol-Acrylnitril (SAN) oder Butylkautschuk. Die meisten Biopolymere sind Copolymere. Bei Copolymeren lässt sich über Syntheseweg die Anordnung der Repetiereinheiten recht genau festlegen, was zur Einteilung der Copolymere in verschiedene Typen führt.

<center>
{|style="text-align:center; font-size:90%;"
|-
| [[Datei:Statistical copolymer 3D.svg|270px|Statistisches Copolymer]]<br /> Statistisches Copolymer
| [[Datei:Gradient copolymer 3D.svg|270px|Gradientcopolymer]]<br /> Gradientcopolymer
| rowspan="2" | [[Datei:Graft copolymer 3D.svg|270px|Pfropfcopolymer]]<br /> Pfropfcopolymer
|-
| [[Datei:Alternating copolymer 3D.svg|270px|Alternierendes Copolymer]]<br /> Alternierendes Copolymer
| [[Datei:Block copolymer 3D.svg|250px|Blockcopolymer]]<br /> Blockcopolymer
|}</center>

* '''Polymerblends''' entstehen durch Mischen von unterschiedlichen Homopolymere und/oder Copolymeren. Hergestellt werden sie meist durch intensive mechanische Vermischung von geschmolzenen Polymeren, wobei sich ein homogenes Material ergibt.

<center>
{|class=wikitable style="text-align:left; font-size:90%;" width="80%"
|-
|align="center" colspan="4" |'''Beispiele Homo- und Copolymere und ihre Repetiereinheiten'''
|- style="vertical-align:top"
| [[Datei:Polystyrene skeletal.svg|80px|zentriert]]
| [[Datei:Poly(dimethylsiloxan).svg|100px|zentriert]]
| [[Datei:Styrol-Butadien-Kautschuk.svg|180px|zentriert]]
| [[Datei:PET.svg|200px|zentriert]]
|- style="vertical-align:top"
| '''Homopolymer''' Polystyrol: Eine Repetiereinheit, die sich ''n''-fach im Makromolekül wiederholt.
| '''Homopolymer''' Polydimethylsiloxan, ein Silikon. Die Hauptkette wird von Silicium- und Sauerstoffatomen gebildet.
| '''Copolymer''' Styrol-Butadien-Kautschuk: Die Monomeren Styrol und 1,3-Butadien bilden zwei Repetiereinheiten, die sich nach der Abbildung in beliebiger Reihenfolge in einem Makromolekül abwechseln können.
| Polyethylenterephthalat hat nur eine charakteristische Repetiereinheit, obwohl zur Synthese zwei Monomere eingesetzt werden müssen.
|}</center>
== Herstellung von Polymeren - die radikalische Polymerisation ==
Das Grundprinzip aller Herstellungsverfahren künstlichen Polymere ist die Herstellung eines Makromoleküls aus den Monomeren.

Die einfachste Variante ist die '''Polymerisation''', international üblicherweise auch '''Kettenpolymerisation''' genannt. Es bezeichnet alle chemischen Reaktionen, bei denen sich fortlaufend gleiche oder unterschiedliche Monomere an ein wachsendes Polymer zusammensetzen. Dabei findet weder eine Abspaltung von Nebenprodukten, noch eine Wanderung von Molekülgruppen innerhalb der Reaktionspartner statt. <u>Keine</u> Kettenpolymerisationen sind Polykondensationen (''Abspaltung von kleinen Molekülen'') und Polyadditionen (''Umgruppierung'').

Alle Arten von Polymerisationen beruhen im Wesentlichen auf drei Teilschritten:
* Einer '''Startreaktion''', bei der sich ein sogenanntes aktives Zentrum bildet, das der Ausgangspunkt für die Bildung des Makromoleküls ist.
* Die '''Wachstumsreaktion''', bei der die makromolekulare Kette durch wiederholte Anlagerung der Monomere immer länger wird. Dabei findet jedes Mal die gleiche Reaktion statt, wobei das aktive Zentrum sich in jedem Schritt an das bisherige "Ende" des Makromoleküls "verschiebt".
* Die '''Abbruchreaktion''', bei der das Wachstum der Kette durch verschiedene mögliche Reaktion beendet wird. Je nach Art des aktiven Zentrums sind verschiedene Abbruchreaktionen möglich.

Je nach Art der Startreaktion und der Art des aktiven Zentrums unterscheidet man zwischen radikalischer, kationischer und anionischer Polymerisationen. Wir betrachten nur einen Typ davon. Der Ablauf bei den anderen ist fast identisch.

=== Der Mechanismus der radikalischen Polymerisation ===
[[Datei:Elektronenvwerschiebung V1.svg|thumb|<small>Elektronenpaarverschiebung (links) und Einelektronenverschiebung (rechts)</small>.]]Unter einem Reaktionsmechanismus versteht man in der Chemie einen Prozess, der von den Edukten bis zum zu den Produkten immer ähnlich verläuft und bei dem Zwischenprodukte und Übergangszustände eindeutig definiert werden können. Dabei ist der Verlauf unabhängig vom genauen Ausgangsstoff sondern hängt nur davon ab, das bestimmte Bedingungen erfüllt sind. Meist sind das bestimmte Gruppierungen im Edukt oder zugesetzte Hilfschemikalien. Bei diesen Mechanismen spielen fast immer Elektronenbewegungen eine Rolle. Die Verschiebung und Umlagerung von einzelnen Elektronen oder Elektronenpaaren werden meist mit geschwungenen Pfeilen (↷) angedeutet (''siehe auch rechts!'').

Zum ''Kettenstart'' der Polymerisation wird ein Starter zugegeben, der sehr instabil ist und in zwei Radikale zerfällt. Ein solches Radikal greift die Mehrfachbindung an, indem das Elektronenpaar der Doppelbindung aufgespalten wird. Das Radikal R bindet sich mit Hilfe eines der Elektronen der Doppelbindung an das eine Kohlenstoff-Atom und dabei bleibt am zweiten Kohlenstoff-Atom der Doppelbindung ein einzelnes Elektron zurück. Dieses zweite Kohlenstoff-Atom ist damit nun selber ein Radikal.

:[[Datei:RadikalischeKettenpolymerisation Start.svg|rahmenlos|hochkant=1.7|Mechanismus der Startreaktion bei einer radikalischen Polymerisation]]

An dieses Ausgangsradikal lagern sich nun in einer ''Wachstumsreaktion'', ohne das eine weitere Zufuhr von Aktivierunsenergie notwendig ist, ständig mehr Monomere an. Dabei findet, wie bei der Startreaktion, durch den Angriff des readikalischen Kohlenstoff-Atoms an ein Monomer, bei diesem immer eine Spaltung der Doppelbindung und Umlagerung der einzelnen Elektronen statt. Diese Reaktion kann theoretisch immer so weiter ablaufen, bis schließlich das Monomer aufgebraucht ist.

:[[Datei:RadikalischeKettenpolymerisation Wachstum.svg|rahmenlos|hochkant=3.1|Mechanismus der Wachstumsreaktion bei einer radikalischen Kettenpolymerisation]]

Bei der radikalischen Polymerisation sind zwei einfache Reaktionen denkbar, bei denen zu einem ''Abbruch der Kettenreaktion'' ohne weiteres Zutun kommt. In beiden Fällen "verschwindet" das Radikal und somit kann die Wachstumsreaktion nicht mehr weiter ablaufen.

<u>1. Möglichkeit:</u> Beim das Zusammentreffen zweier Radikale bilden beide einzelnen Atome zusammen eine Elektronenpaarbindung.

:[[Datei:RadikalischeKettenpolymerisation Abbruch Kombination.svg|rahmenlos|hochkant=3.1|Mechanismus der Abbruchsreaktion durch Disproportionierung bei einer radikalischen Kettenpolymerisation]]

<u>2. Möglichkeit:</u> Innerhalb eines der Radikale findet die Bildung einer Doppelbindung statt und das dabei freiwerdende Wasserstoff-Radikal bindet sich an ein anderes Radikal. Hier ist zu beachten, dass der eine Pfeil nicht nur einen Elektronenumlagerung sondern auch die Umlagerung des Wasserstoffs bewirkt, zu dem das Elektron gehört.

:[[Datei:RadikalischeKettenpolymerisation Abbruch Disproportionierung.svg|rahmenlos|hochkant=3.1|Mechanismus der Abbruchsreaktion durch Disproportionierung bei einer radikalischen Kettenpolymerisation]]

Wie lang die Ketten werden, hängt im wesentlichen nicht davon ab, wieviel des Monomers man zur Verfügung stellt. Man kann die Kettenlänge aber steuern und das sollte leicht erklärbar sein.

{{Box|Aufgabe 1|Die Kettenlänge der Makromoleküle ist niemals bei allen Molekülen identisch. Allerdings kann man die durchschnittliche Länge der Ketten steuern, indem man die Menge an Radikal-Starter variiert. Daher die Frage:
* Wie wirkt sich die Zugabe einer größeren Menge an Radikalstarter auf die durchschittliche Kettenlänge der Makromoleküle aus? Werden sie länger oder kürzer?
Begründe deine Antwort!|Üben}}

Es gibt auch sogenannte Kettenüberträger, die gezielt zu bestimmten Zeitpunkten der Polymerisation zugegeben werden, um das aktive Zentrum einer wachsenden Polymerkette auf ein anderes Molekül zu übertragen.
:P• + XR → PX + R•
::<small>''P = Polymerkette, XR = Kettenüberträger''</small>

=== Übungsaufgaben zu Monomeren und Polymeren ===
Zunächst einmal ist die Art der Polymerisation für uns nicht von großer Bedeutung, denn welche Art der Polymerisation genutzt wird, ist eher ein praktisches Problem, das wir nicht nachvollziehen können und müssen. Es spielt für die Industrie natürlich schon ein Rolle.

Wir konzentrieren uns erst einmal auf mögliche Edukte und Produkte einer Polymerisation. Bei den folgenden Aufgaben geht es darum zu einem '''Monomer''' das passende '''Polymer''' zu suchen und umgekehrt, außerdem wird die '''Repetiereinheit''' betrachtet. Hier werden anhand des Polypropylens noch einmal die wichtigen Begriffe und ihr Zusammenhang gezeigt, damit klar ist, was ihr bei den folgenden Aufgaben bestimmen sollt:

[[Datei:Zusammenhang Monomer Polymer und Repetiereinheit beim Polypropylen.svg]]

{{Box|Aufgabe 2|Polyethylen wird aus dem Monomer Ethylen bzw. Ethen gebildet. Zeichne eine Polymerkette, die aus 5 Monomeren gebildet wird.

{{Lösung versteckt|{{Box|LÖSUNG - AUFGABE 2|2=
<center>[[Datei:PE-Polymer aus 5 Monomeren.svg|500px]]</center>
|3=Lösung}}}}|Üben
}}

{{Box|Aufgabe 3
| 2 = a.) '''PVC''' (= Polyvinychlorid) ist das drittwichtigste Polymer und ist besonders beständig gegen Sonnenlicht und andere Witterungseinflüsse. Es wird aus dem Monomer CH<sub>2</sub>=CHCl gebildet.
* Zeichne eine Polymerkette, die 4 Repetiereinheiten enthält und schreibe das Polymer kurz mit Hilfe der Repetiereinheit.
* Gib den Namen des Monomers an.
::'''''TIPP:''' Schreibe das Monomer erst einmal in die Lewisschreibweise um, statt in der gegebenen Halbstrukturschreibweise.''

{{Lösung versteckt|{{Box|LÖSUNG - AUFGABE 3a|2=
<center>[[Datei:PVC Monomer und Polymer.svg|500px]]</center>|3=Lösung}}}}

[[Datei:Acrylamid.svg|right|150px]]
b.) Das Monomer '''Acrylamid''' ''(siehe rechts)'' bildet wasserlösliche Polymerketten. Es wird auch für die Herstellung von Superabsorbern in Windeln genutzt.
* Zeichne zunächst das Monomer in Lewisschreibweise so, dass die Doppelbindung waagerecht "liegt" und die andere Atome entsprechend daran hängen.
* Zeichne eine Polymerkette, die 4 Repetiereinheiten enthält und schreibe das Polymer kurz mit Hilfe der Repetiereinheit.
* Wie ist der Name des Polymers?

{{Lösung versteckt|{{Box|LÖSUNG - AUFGABE 3b|2=|3=Lösung}}}}
<center></center>
| 3 = Üben
}}

{{Box|Aufgabe 4|Schreibe die angegebenen Poylmerketten mit Hilfe einer Repetiereinheit auf und bestimme das Monomer dazu.
* Schreibe zuerst die angegebene Skelettschreibweise um, in die Lewisschreibweise (zumindest alle C-Atome aufschreiben) und zeichne die Hauptkette gerade/waagrecht ein.
* Markiere dann die Repetiereinheit!

<center>[[Datei:PMMA-chain.png|300px]]</center>

{{Lösung versteckt|{{Box|LÖSUNG - AUFGABE 4|2=
[[Datei:Gemischte Aufgabenstellungen zu den Polymeren Lösung PMMA.svg|500px]]
|3=Lösung}}}}
| 3 = Üben
}}

{{Box|Aufgabe 5|Hier ist der Ausschnitt eines Co-Polymers zu sehen. Bestimme die Repetiereinheit und daraus die zwei Monomere. Gib deren Namen an.
{{Lösung versteckt|{{Box|LÖSUNG - AUFGABE 5|2=
<center>[[Datei:Gemischte Aufgabenstellungen zu den Polymeren Lösung Copolymer Buten und Propen 01.svg|500px]]</center>
|3=Lösung}}}}
| 3 = Üben
}}

{{Box|Aufgabe 6|Zu den zwei gegebenen Monomere soll die Polymerkette eines alternierenden Co-Polymers gezeichnet werden.
{{Lösung versteckt|{{Box|LÖSUNG - AUFGABE 6|2=|3=Lösung}}}}
| 3 = Üben
}}

===Einsatz von Katalysatoren===
Von der Definition her, sind Katalysatoren sicherlich bekannt unter der folgenden Definition:

{{Box|Katalysator|Als Katalysator bezeichnet man in der Chemie einen Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit durch die Senkung der Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion erhöht, ohne dabei selbst verbraucht zu werden.|Hervorhebung1
}}

Bei der Herstellung von Kunststoffen haben Katalysatoren üblicherweise zwei mögliche Einsatzgebiete:
*Durch die '''Senkung der Aktivierungsenergie''' kann die Polymerisation schon bei Normal-Temperatur stattfinden. Das führte zum Beispiel beim Polyethylen dazu, das man statt dem bisher bei hohen Temperatur erzeugten Polyethylen mit vielen größeren Seitenketten, mit Hilfe des '''Ziegler-Natta-Katalysators''' bei Raumtemperaturen ein nahezu ganz lineares Molekül erzeugen konnte.
:Der Katalysator hält das "Ende" der Polymerkette und ebenso ein Monomer "fest", aktiviert sie bringt sie so in Kontakt und erleichtert so die Reaktion.
<center>[[Datei:Ziegler-Natta-Mechanismus.svg]]</center>

*Ist das Monomer unsymmetrisch können die Seitenketten der einzelnen Monomere räumlich unterschiedlich an der langen Kette hängen. Diese als '''Taktizität''' bezeichnete Eigenschaft des Molekül-Aufbaus hat eine durchaus große Auswirkung auf die Eigenschaften des Polymers. Das folgende Bild zeigt drei Varianten der Taktizität.

<center>[[Datei:Polystyrol-ais.jpg]]</center>

:Der Katalysator sorgt nicht nur für eine vereinfachte Reaktion, sondern bewirkt auch eine regelmäßige Anordnung der Seitenketten, da die Monomere immer von der gleichen Seite an die Kette angefügt werden.

===Versuch: Herstellung von Plexiglas ===
Polymethylmethacrylat oder kurz PMMA ist auch unter dem Namen Acrylglas bekannt. Vom Chemiker Otto Röhm aus Darmstadt ''(heute die Firma Evonik/Röhm'') wurde es 1933 unter dem Namen '''Plexiglas''' als Patent angemeldet. In der DDR verwendete man die Bezeichnung O-Glas (für „organisches Glas“).

Üblicherweise wird Acrylglas auch industriell über eine radikalische Polymerisation mit Hilfe des Initiators Dibenzoylperoxid hergestellt. Die dadurch entstehende Makromoleküle sind völlig '''amorph''' und '''ataktisch'''.

[[Datei:PMMA-chain.png|400px]]

Dibenzolyperoxid ist ein organisches Peroxid, das schon bei geringster Wärmezufuhr in zwei gleiche Radikale zerfällt, die dann Kohlendioxid abspalten.

[[Datei:Dibenzoylperoxid-Zerfall.svg|100%]]

{{Box|EXPERIMENT Herstellung von Plexiglas|'''Material:''' {{Sicherheitsinfo|Schutzbrille|GHSBrennbar|GHSGesundheitsgefahr|GHSExplosiv}}
* Reagenzglas
* Becherglas mit Wasser auf Heizplatte
* Uhrglas, dass mit Alufolie ausgekleidet ist
* 5 ml Methacrylsäuremethylester
* 2 Spatelspiten Dibenzoylperoxid

'''Durchführung:'''
# In das Reagenzglas werden etwa 5 ml Methacrylsäuremethylester und 2 Spatelspitzen Dibenzoylperoxid gegeben.
# Die Lösung wird im Wasserbad erwärmt. Sobald man eine Reaktion zu beobachten kann, wird das Reagenzglas aus dem Wasserbad herausgenommen und die Masse auf die Alufolie ausgegossen und man wartet, bis sich das Material verfestigt hat.

'''Entsorgung:'''
:Das Reagenzglas kann nach dem Abkühlen in den Restmüll entsorgt werden.|Experimentieren
}}

==Die Struktur der Polymere==
Ein sehr großen Einfluss auf die Eigenschaften des Polymers hat die Grundstruktur des Makromoleküls. Auch bei gleichem Monomer gibt es dabei verschiedene Varianten-
*Es können sich '''lineare Makromoleküle''' bilden, die nur aus einer Polymerkette bestehen. Im Fall von '''Polyethylen''' z.B. ist die Hauptkette ein langkettiges, unverzweigtes Alkan.
*Bei entsprechenden Reaktionsbedingungen bilden sich auch '''verzweigte Makromoleküle''' mit einer Hauptkette und Seitenketten, bei verzweigtem Polyethylen wären es dann Alkylreste.

Neben der Kettenlänge bestimmt auch der '''Verzweigungsgrad''' Dichte, Festigkeit und Schmelzpunkt des Polymers. Je nach Anordnung der verschiedenen Molekülketten im Material kann es zu unterschiedlich starken Wechselwirkungen dazwischen kommen. Wenn nicht polare Gruppierungen enthalten sind, spielen nur die Van-der-Waals-Kräfte dabei eine Rolle.

Ungeordnete und stark verzweigte Polymere sind '''amorph''', die Moleküle im Feststoff können nur ungeordnet miteinander wechselwirken. Unverzweigte Makromoleküle können als Feststoff eine '''teilkristalline Struktur''' ausbilden, bei der aufgrund einer parallelen Anordnung der Molekülketten relativ starke Van-der-Waals-Kräfte wirken können.

Während verzweigte und unverzweigte Polymere in der Regel sogenannte '''Thermoplaste''' sind, liegen bei den '''Elastomeren''' eine weitmaschige Vernetzung zwischen den „Hauptketten“ vor. Eine '''engmaschige Vernetzung''' führt hingegen zu Duroplasten.

<center>
<gallery widths="190" heights="170">
Datei:Polymerstruktur-linear.svg|lineares, unverzweigtes Makromolekül
Datei:Polymerstruktur-verzweigt.svg|verzweigtes Makromolekül
Datei:Polymerstruktur-teilkristallin.svg|teilkristalline Struktur linearer Polymere
Datei:Polymerstruktur-weitmaschig vernetzt.svg|weitmaschig vernetztes Polymer
Datei:Polymerstruktur-engmaschig vernetzt.svg|engmaschig vernetztes Polymer
</gallery>
<small>Vernetzungen und Verzweigungen sind in den Abbildungen als rote Punkte dargestellt. Die roten, parallel liegenden Streifen sind die kristallinen Bereiche.</small>
</center>

===Einteilung in Thermoplasten, Elastomere und Duroplasten===
Grob werden alle Polymere in drei Gruppen eingeteilt, mit denen ihre grundlegenden Eigenschaften beschrieben werden.

<div class="grid">
<div class="width-1-2">
Die '''Thermoplasten''' haben ihre Namen davon, dass sie bei '''Erwärmung plastisch''' werden, also verformt werden können.

Damit dies möglich ist, darf es zwischen den einzelnen Kettenmolekülen keine stabilen Verbindungen in Form von Atombindungen geben. Besteht zwischen den einzelnen Kettenmolekülen nur eine Anziehung über Van-der-Waals-Kräfte oder Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, so lösen sich diese beim Erwärmen, wenn die Ketten aus durch die Erwärmung in Schwingung geraten. Eine Atombindung kann dagegen bei "normalen" Temperaturen nicht gelöst werden.

Zu den Thermoplasten gehören solche Kunststoffe wie das Polyethylen und das Polypropylen.
</div>

<div class="width-1-4">[[File:Polymerstruktur-linear.svg]] <br />''Nicht vernetzte Ketten, die einfach quer durcheinander liegen.''</div>
<div class="width-1-4">[[File:Polymerstruktur-verzweigt.svg]]<br />'' Auch Seitenketten ändern nichts daran, dass es keine feste Verbindungen gibt.''</div>
</div>

<div class="grid">
<div class="width-1-2">Bei den '''Elastomeren''' handelt es sich um formfeste (''also nicht flüssige''), aber '''elastisch verformbare''' Kunststoffe, die bei Normaltemperatur quasi noch nicht steif gefroren sind (''Glasübergang''). Als elastisch bezeichnet man ein Material, dass unter Zug- und Druckbelastung seine Form verändert und bei Wegfall der einwirkenden Kraft in seine ursprüngliche, unverformte, Gestalt zurückkehrt (''Beispiele: Sprungfeder, Gummi'').

Ursache der Elastizität ist die typische Struktur von Elastomeren, bei denen es zwischen den einzelnen Kohlentoffketten in größeren Abständen Atombindungen gibt. Bei Krafteinwirkung kann der geknäulte, nicht verknüpfte Anteil der Polymerketten entflechtet und somit langgezogen werden. Nach Wegfall der Zugbelastung entspannen die Ketten und kehren in ihren bevorzugten, knäuelartigen, Zustand zurück. Man beachte, dass das nur geht, weil die Schmelztemperaturen der Elastomere niedriger sind als bei den Thermoplasten.
</div>
<div class="width-1-2"><center>[[File:Polymerstruktur-weitmaschig vernetzt.svg]]</center><br />
''Durch die weiträumige Vernetzung kann der Stoff zwar etwas verformt werden, aber nicht dauerhaft umgeformt werden.''<br />
<center>[[File:Polymerstruktur-weitmaschig vernetzt-gestreckt.svg]]</center>
</div>
</div>

<div class="grid">
<div class="width-1-2">
'''Duroplaste''' sind Kunststoffe, die nach ihrer Aushärtung '''nicht mehr verformt werden können'''. Sie haben also eine dauerhafte Struktur und sind nicht wie die Thermoplaste durch Erwärmen verformbar. Außerdem sind sie meist hart und unlöslich in alle möglichen Lösungsmittel.

Der Grund dafür ist, dass die Polymer-Ketten über viele Atombindungen miteinander verknüpft sind. Damit man Werkstücke in einer ebstimmten Form bekommt, werden meist Vorprodukte verwendete, die noch schmelzbar oder löslich sind (''meist sind es Kunstharze'') weil sie noch nicht engmasching vernetzt sind, aber Vernetzungsmöglichkeiten haben. Mit Hilfe von Härtern und evtl. Katalysatoren oder auch hohe Temperaturen polymerisieren sie dann in ihrer Form.

Da die Atombindungen stabil sind, können Sie nicht durch einfaches Erwärmen geschmolzen werden. Erst sehr hohe Temperaturen können die Atombindungen zerstören, wodurch aber die innere Struktur des Material unwiderbringbar zerstört wird und somit keine Umformung, wie bei den Thermoplasten möglich ist.
</div>
<div class="width-1-2"><center>[[File:Polymerstruktur-engmaschig vernetzt.svg]]</center><br />''Es gibt eine engmaschige Verknüpfung nebeneinanderliegender Polymerketten mit Atombindungen.''</div>
</div>

{{Box|Aufgabe 7|'''Informiere dich über die Wiederverwertbarkeit/Recycling der verschiedenen Arten von Kunststoffen.''' Einige Informationen, die wichtig dafür sind, solltest du schon aus den Texten bekommen haben. Informiere dich zum Beispiel über die Möglichkeit, ob und wie man Elastomere dauerhaft in eine neue Form bringen kann. Begründe deine Antworten ausführlich, mit ganzen Sätzen.|Üben
}}

====Teilkristalline Polymere====
[[Datei:Polymerstruktur-teilkristallin.svg|right]]
Bei thermoplastischen Polymeren gibt es noch zwei Untervarianten. Denn auch wenn es keine Atombindungen zwischen den Makromolekülen gibt, so können sie sich doch stark anziehen, dass sich strukturierte Bereiche, mit parallel liegenden Ketten, bilden. Ist das der Fall, so hat man ein '''teilkristallines''' Polymer. Dem gegenüber stehen die '''amorphen''' Polymere, also solche, bei denen die Makromoleküle einfach ungeordnet durcheinander liegen. Das entspricht einem normalen Thermoplast.

Ob ein Polymer teilkristallin ist oder amorph hat auf einige Eigenschaften eine wesentliche Auswirkung. Das werden wir an konkreten Beispielen dann genauer besprechen.

Die Entstehung von teilkristalline Bereichen hängt entweder von der Verarbeitung ab oder vom Molekülbau. Bei der Verarbeitung werden zum Beispiel für Fasern durch Verstreckung (''also langziehen'') die Molekülketten zum Teil parallel angeordnet. Beim Molekülbau können stark polare Seitenketten eine starke Anziehung bewirken, die dann zu einer parallelen Anordnung der Ketten führt.

===Transparenz von Kunststoffen===
Zu Beginn klären wir kurz zwei wichtige Begriffe:

{{Box|HINWEIS: Transparent und Opak|Ein Stoff ist '''transparent''', wenn er durchscheinend ist.

Ein Stoff ist ist '''opak''', wenn er nicht durchscheinend ist.|Hervorhebung1
}}

<div class="grid">
<div class="width-1-2">Damit ein Stoff transparent sein kann, müssen Lichtstrahlen, ohne gebrochen zu werden, durch den Stoff hindurch kommen können. Nur dann ist ein "Bild" erkennbar.

Denn wenn die Lichtstrahlen zwar durchkommen, aber nicht in geordneter Form, weil sich ihre Richtung chaotisch ändert, dann kann man vielleicht Helligkeitsunterschiede erkennen, aber nicht was genau dort zu sehen sein müsste.</div>
<div class="width-1-2">[[Datei:Fénytörés.jpg|400px]]</div>
</div>

Ein bekannter transparenter Stoff ist Glas. Gewöhnlich wird Glas durch Schmelzen erzeugt. Physikalisch wird Glas als gefrorene, unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet, die sehr schnell abgekühlt wurde. Das bedeutet, dass sich bei der Erstarrung der Schmelze zum Glas zwar Kristallkeime bilden, für eine vollständige Kristallisation jedoch nicht genügend Zeit bleibt.

Das erstarrende Glas ist zu schnell fest, um noch eine Umordnung der Bausteine zu einem regelmäßig angeordneten Kristall zu erlauben. Vereinfachend entspricht somit der atomare Aufbau eines Glases in etwa dem einer Flüssigkeit. Glas ist daher eine amorphe Substanz, d.h. man hat keine geordnete Struktur.

<center>
<gallery heights="300" widths="300" style="text-align:center">
File:Piasek kwarcowy.jpg|Eines der Rohstoffe zur Glasgewinnung, Quarzsand SiO<sub>2</sub>
Datei:Calcite.jpg|Das Mineral Calcit ist zwar transparent, aber durch eine doppelte Brechung an den Grenzflächen erscheint das Bild dahinter doppelt.
</gallery>
</center>

Damit ein Polymer transparent ist, müssen wir also ähnliche Bedingungen wie im Glas haben, nämlich dass wir eine möglichst ungeordnete Struktur haben. Daher können nur amorphe Polymere transparent sein. Umgekehrt führen teilkristalline Bereiche dazu, dass ein Polymer nicht transparent ist. Als Begründung sollen die zwei folgenden Bilder dienen:

<center>
<gallery heights="300" widths="300" style="text-align:center">
File:Polymerstruktur-teilkristallin mit Lichteinfall.svg|Im Bereich der Kristallite existieren Strukturen, die Lichtstrahlen reflektieren können können. Dies führt dazu, dass das Licht, wenn, dann nur gestreut, das Material durchdringen kann.
File:Polymerstruktur-amorph mit Lichteinfall.svg|Eine amorphe Anordnung bietet keine Stellen, an denen Lichtstrahlen reflektiert werden können.
</gallery>
</center>

<div class="grid">
<div class="width-1-2">So ist es nicht unbedingt die Art der Monomere, die bestimmt, ob ein Poylmere transparent ist oder nicht, sondern vor allem von der Anordnung der Polymerketten untereinander.

Im Bild sieht man eine Probe von PET (Polyethylenterephthalat), dass man vor allem von Kunststoffflaschen kennt. Normalerweise transparent (''also amorph'') kann kruzfristiges Erhitzen an einer Stelle dazu führen dass dort ein Kristiallisationsprozess einsetzt, der bewirkt, dass PET nicht mehr transparent ist.

Ein weiterer Grund dafür, dass teilkristalline Polymere nicht transparent sind ist, dass die zwischen den kristallinen Bereichen liegenden amorphen Gebieten eine andere optische Dichte haben als, die ebenfalls zu einer Brechnung des Lichtstrahl führt.
</div>
<div class="width-1-2">[[File:Pet plastic crystallisation.jpg]]</div></div>

Typisch an transparenten Kunststoffen ist, dass ist meist Monomere mit sehr große und starre Seitenketten haben oder selber sehr groß sind. Dies kann dazu beitragen, dass die Anordnung der Ketten eher Dazu als Beispiel zwei Kunststoffe, die meist aufgrund ihrer Transparenz genutzt werden.

<gallery heights="300" widths="300" style="text-align:center">
File:Polystyrene linear.svg|'''Polystrol (PS)''' hat als Seitengruppe einen großen Benzolring. Die tatsächliche Anordnung der Kette und der Seitengruppen ist natürlich in Realität etwas anders.
Datei:Isotactic-polystyrene-chain-from-xtal-3D-balls.png|Die Benzolringe versuchen sich untereinander aus dem Weg zu gehen. Im Idealfall kann das ganz regelmäßig werden, aber nur wenn das Material langsam abkühlt.
Datei:Isotactic-polystyrene-chain-from-xtal-3D-vdW.png|Hier sieht man noch einmal im Kalottenmodell, wie viel Platz die Benzolringe einnehmen.
File:PET.svg|Das '''Polyethylenterephthalat (PET)''' hat eine Repetiereinheit, die aufgrund von vielen Benzol-Ringen recht unflexibel ist.
</gallery>

[[Kategorie:Kunststoffe]]
[[Kategorie:Organische Chemie]]
[[Kategorie:Chemie]]

Datei:PVC Monomer und Polymer.svg

2024-10-22T12:40:50Z

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Datei:PVC Monomer und Polymer.svg

2024-10-22T12:37:40Z

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Datei:PVC Monomer und Polymer.svg

2024-10-22T12:34:23Z

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Datei:PVC Monomer und Polymer.svg

2024-10-22T12:27:45Z

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Datei:PVC Monomer und Polymer.svg

2024-10-22T12:21:51Z

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Datei:PVC Monomer und Polymer.svg

2024-10-22T12:18:30Z

Brockmann: Hochgeladen mit VisualEditor Seite

Datei:PE-Polymer aus 5 Monomeren.svg

2024-10-22T11:43:34Z

Brockmann: Brockmann lud eine neue Version von Datei:PE-Polymer aus 5 Monomeren.svg hoch

{{Information
|description = PE-Polymer aus 5 Monomer-Einheiten in verschiedenen Strukturformelvarianten
|source = Eigene Arbeit
|author = [[User:Brockmann|Brockmann]]
}}

== Lizenz ==
{{Bild-CC-by-sa/4.0/de}}[[Category:Chemie]]
[[Category:Polymerisation]]
[[Category:Kunststoffe]]

Datei:PE-Polymer aus 5 Monomeren.svg

2024-10-22T11:18:20Z

Brockmann: Hochgeladen mit VisualEditor Seite

2022-01-03T20:27:34Z

Brockmann:

Die Struktur von Glucose

2021-11-01T19:53:25Z

Brockmann:

Glucose ist eines der wichtigsten Kohlenhydrate. Sie wurde 1792 von Tobias Lowitz als Bestandteil von Weintrauben entdeckt und daher von ihm Traubenzucker genannt, der Name „Glucose“ stammt aus dem 19. Jahrhundert, eine weitere Bezeichnung ist „Dextrose“.

Glucose kommt nicht nur in Weintrauben vor, sondern auch in anderen Früchten und in Honig. Außerdem spielt die Glucose bei allen Lebewesen eine wichtige Rolle und ist – teilweise in Verbindung mit anderen Molekülen – Lieferant für Energie und Kohlenstoff. Bei Tieren und beim Menschen kommt reine Glucose beispielsweise als Blutzucker vor, bei Pflanzen ist sie der Grundbaustein für den Aufbau von Stärke und Cellulose.

<br />

{{Aufgabe|In der folgenden Learningapp erhältst du Informationen zur Glucose. Sortiere sie korrekt und ziehe die richtigen Schlussfolgerungen.}}

{{LearningApp
| app = 21975203
}}

{{Aufgabe|Zeichne mithilfe der richtigen Schlussfolgerungen eine Strukturformel von Glucose. <br>
Beachte dabei die Erlenmeyer-Regel: An einem Kohlenstoffatom kann maximal eine Hydroxy-Gruppe gebunden sein, sonst ist das Molekül nicht stabil.}}

Vergleiche anschließend dein Molekül mit den hier abgebildeten und mach die Übung, um deine Lösung zu überprüfen.

{{H5p-zum|id=17060|height=500}}

Die Struktur von Glucose

2021-11-01T19:52:56Z

Brockmann: H5P ergänzt

Glucose ist eines der wichtigsten Kohlenhydrate. Sie wurde 1792 von Tobias Lowitz als Bestandteil von Weintrauben entdeckt und daher von ihm Traubenzucker genannt, der Name „Glucose“ stammt aus dem 19. Jahrhundert, eine weitere Bezeichnung ist „Dextrose“.

Glucose kommt nicht nur in Weintrauben vor, sondern auch in anderen Früchten und in Honig. Außerdem spielt die Glucose bei allen Lebewesen eine wichtige Rolle und ist – teilweise in Verbindung mit anderen Molekülen – Lieferant für Energie und Kohlenstoff. Bei Tieren und beim Menschen kommt reine Glucose beispielsweise als Blutzucker vor, bei Pflanzen ist sie der Grundbaustein für den Aufbau von Stärke und Cellulose.

<br />

{{Aufgabe|In der folgenden Learningapp erhältst du Informationen zur Glucose. Sortiere sie korrekt und ziehe die richtigen Schlussfolgerungen.}}

{{LearningApp
| app = 21975203
}}

{{Aufgabe|Zeichne mithilfe der richtigen Schlussfolgerungen eine Strukturformel von Glucose. <br>
Beachte dabei die Erlenmeyer-Regel: An einem Kohlenstoffatom kann maximal eine Hydroxy-Gruppe gebunden sein, sonst ist das Molekül nicht stabil.}}

Vergleiche anschließend dein Molekül mit den hier abgebildeten und mach die Übung, um deine Lösung zu überprüfen.

{{H5p-zum|id=17060|height=150}}