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Was sind Kunststoffe ?

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Kunststoffe sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken, überall begegnen sie uns. Viele klassische Materialien wie Glas, Keramik, Papier, Holz etc. werden heute durch maßgeschneiderte Kunststoffe ersetzt oder ergänzt.

Kurze Geschichte der Kunststoffchemie

Fritz HOFMANN und der Kunstkautschuk

Begonnen hat alles vor über 100 Jahren, als man einen Ersatz für den Naturstoff Kautschuk suchte. Die Autoindustrie begann in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts zu expandieren, und für die Gummireifen brauchte man immer mehr Kautschuk. Der hauptsächlich in Südamerika gewonnene Naturkautschuk reichte für die vielen Autos nicht mehr aus. Der deutsche Chemiker Fritz HOFMANN (1866-1956) entwickelte dann den ersten Kunststoff in der Geschichte der Chemie: Methylkautschuk. Für diesen ersten Kunststoff erhielt die Firma Bayer 1909 ein Patent. Ein richtig guter Ersatz für Naturkautschuk war der Methylkautschuk allerdings nicht. Erst zu Beginn der 30er Jahre wurde brauchbarer künstlicher Kautschuk nach dem berühmten Buna-Verfahren hergestellt.

Hermann STAUDINGER und die Makromoleküle

Ein anderer wichtiger Forscher der Kunststoffchemie war der deutsche Chemiker Hermann STAUDINGER (1881-1965), der 1953 den Nobelpreis für Chemie für seine grundlegenden Forschungen erhielt. STAUDINGER klärte die Struktur natürlicher Makromoleküle wie Stärke und Cellulose auf. 1922 präge STAUDINGER der Begriff "Makromolekül".

Makromoleküle = Moleküle, die aus vielen Tausend gleichen oder verschiedenen Bausteinen zusammengesetzt sind.

Polymere

Ein ähnlicher Begriff wie Makromolekül ist der Begriff Polymer, der sich aus dem griechischen poly (= viele) und meros (= Teil) ableitet. Den Baustein eines Polymers bezeichnet man dann als Monomer.

Makromoleküle bzw. Polymere wie Stärke oder Cellulose bestehen aus vielen Tausend gleichen Monomeren, der alpha- bzw. beta-Glucose. Proteine dagegen sind Polymere, die aus 21 verschiedenen Monomeren zusammengesetzt sind, den  biogenen Aminosäuren. Nucleinsäuren schließlich, eine weitere Klasse natürlicher Makromoleküle, die bekanntlich in jedem Zellkern eines Lebewesens die Erbinformation speichern, bestehen aus vier verschiedenen Monomeren, den vier Nucleotiden, die als A, T, G und C abgekürzt werden.

Damit wären wir auch schon bei der Definition des Begriffs "Kunststoff":

Ein synthetischer Kunststoff ist ein künstlich hergestelltes Polymer, das es in der Natur nicht gibt. Die Monomere eines Kunststoffs sind in der Regel kleinere organische Verbindungen, die oft aus Erdöl gewonnen werden.
Neben Polymeren, die aus nur einer Sorte von Monomeren bestehen, gibt es auch Copolymere, die aus zwei oder sogar drei verschiedenen Sorten von Monomeren zusammengesetzt sind.

Ein halbsynthetischer Kunststoff ist ein chemisch verändertes natürliches Polymer (zum Beispiel Stärke oder Cellulose oder Proteine) oder wird durch Polymerisation biologischer Moleküle (zum Beispiel Glucose oder Milchsäure) erzeugt.

Kunststoffklassen

Kunststoffe werden üblicherweise in drei verschiedene Klassen eingeteilt, die Thermoplaste, die Duroplaste und die Elastomere.

Thermoplaste sind Kunststoffe, die sich in der Wärme verformen. Sie können leicht recycelt und in neue Formen gegossen werden. Duroplaste sind sehr harte Kunststoffe, die mit Werkzeugen bearbeitet werden können. Elastomere schließlich sind elastische Kunststoffe mit Eigenschaften wie Gummi, aber wesentlich beständiger.

Herstellungsverfahren

Künstliche Polymere - Kunststoffe - können auf drei verschiedene Weisen aus den Monomeren synthetisiert werden. Bei der Polymerisation werden ungesättigte Monomere - oft Derivate des Ethens oder Propens - einfach aneinander gehängt. Die Doppelbindungen "klappen auf", und schon sind die Monomere miteinander verbunden. Bei der Polykondensation werden Monomere mit OH-, NH2-, Cl- oder COOH-Gruppen unter Abspaltung von Wasser oder Chlorwasserstoff HCl aneinander gehängt. Bei der Polyaddition schließlich addieren elektrophile Monomere an die C=C-Doppelbindung von Alken-Derivaten. Dabei kommt es zur Umlagerung von H-Atomen. Die so hergestellten Kunststoffe bestehen also stets aus zwei verschiedenen Monomeren, die sich regelmäßig abwechseln.

Hinweise zum Erarbeiten des Themas "Kunststoffe"

Wenn Sie sich in das Thema "Kunststoffe" für den Chemie-Unterricht der Oberstufe einarbeiten wollen, können Sie auf verschiedene Weisen vorgehen.

  1. Eine Möglichkeit ist es, sich zunächst um die Eigenschaften der Kunststoffe zu kümmern. Lesen Sie dazu die Seiten über Thermoplase, Duroplaste und Elastomere. Anschließend können Sie sich die drei verschiedenen Syntheseverfahren anschauen. Dazu können Sie die Seiten über Polymerisation, Polyaddition und Polykondensation lesen.
  2. Eine andere Möglichkeit ist das umgekehrte Vorgehen. Sie machen sich erst mit den Synthesemöglichkeiten vertraut und schauen sich dann bei den Eigenschaften um.
  3. Schließlich können Sie auch mit einzelnen Kunststoffen anfangen. Allerdings wären dazu einige Vorkenntnisse über die Syntheseverfahren hilfreich. Ein guter Einstieg in dieses Thema wäre zum Beispiel Polyethen.

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