Aramidfasern in Schutzwesten
AFB I–IISchutzwesten der Polizei enthalten Gewebe aus Aramid (Handelsname Kevlar®). Es entsteht aus Terephthalsäuredichlorid \(\ce{ClOC-C6H4-COCl}\) und 1,4-Diaminobenzol \(\ce{H2N-C6H4-NH2}\) (beide para-substituiert). Die starren Ketten ordnen sich beim Spinnen parallel an; eine Faser ist bezogen auf ihre Masse etwa fünfmal so reißfest wie Stahl.
- Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Verknüpfung je eines Moleküls der beiden Monomere.
- Zeichnen Sie die Wiederholeinheit des Aramids und kennzeichnen Sie die Amidgruppen.
- Berechnen Sie die Masse an Chlorwasserstoff, die bei der Herstellung von 1,00 kg Aramid entsteht.
- Erklären Sie die außergewöhnliche Reißfestigkeit auf Teilchenebene.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{ClOC-C6H4-COCl + H2N-C6H4-NH2}\) \(\ce{-> ClOC-C6H4-CO-NH-C6H4-NH2}\) \(\ce{+ HCl}\) — es entsteht eine Amidbindung, abgespalten wird Chlorwasserstoff.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\ce{-[CO-C6H4-CO-NH-C6H4-NH]_{n}-}\) mit para-verknüpften Benzolringen; pro Wiederholeinheit zwei Amidgruppen \(\ce{-CO-NH\bond{-}}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(M(\ce{C14H10N2O2}) = 238{,}25\,\text{g/mol}\); \(n = 1000\,\text{g} / 238{,}25\,\text{g/mol} = 4{,}20\,\text{mol}\); \(n(\ce{HCl}) = 2 \cdot 4{,}20 = 8{,}39\,\text{mol}\); \(m = 8{,}39\,\text{mol} \cdot 36{,}46\,\text{g/mol} \approx 306\,\text{g}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die para-verknüpften Ringe machen die Ketten starr und gestreckt; sie lagern sich parallel an. Zwischen N–H und C=O benachbarter Ketten bilden sich zahlreiche Wasserstoffbrücken, zusätzlich π-Wechselwirkungen der Ringe. Eine Zugkraft verteilt sich auf sehr viele Bindungen gleichzeitig.
PEF aus Pflanzenzucker
AFB II–IIIPEF (Polyethylenfuranoat) gilt als biobasierte Alternative zu PET. Es entsteht aus Ethandiol und 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA, \(\ce{C6H4O5}\)), die aus Fructose gewonnen wird. In einem Laborversuch wurde der Umsatz \(p\) der Carboxygruppen bei 230 °C mit und ohne Vakuum verfolgt (Modellwerte):
| Zeit | \(p\) mit Vakuum | \(p\) ohne Vakuum |
|---|---|---|
| 1 h | 0,900 | 0,900 |
| 2 h | 0,970 | 0,930 |
| 4 h | 0,990 | 0,940 |
| 6 h | 0,995 | 0,940 |
- Formulieren Sie die Reaktionsgleichung der Polykondensation zu PEF mit Wiederholeinheit (FDCA vereinfacht als \(\ce{HOOC-C4H2O-COOH}\)).
- Werten Sie die Messreihe mithilfe der Carothers-Gleichung aus.
- Erklären Sie den Unterschied zwischen beiden Versuchsreihen.
- Beurteilen Sie den Vorschlag, Ethandiol im Überschuss von 10 % einzusetzen, um die Reaktion zu beschleunigen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{n HOOC-C4H2O-COOH}\) \(\ce{+ n HO-CH2-CH2-OH}\) \(\ce{<=> -[CO-C4H2O-CO-O-CH2-CH2-O]_{n}-}\) \(\ce{+ 2n H2O}\); Wiederholeinheit \(\ce{C8H6O5}\), \(M = 182{,}13\,\text{g/mol}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Mit Vakuum: \(\overline{X}_n = 10 \to 33 \to 100 \to 200\); ohne Vakuum: \(10 \to 14 \to 17 \to 17\). Ohne Vakuum stagniert der Umsatz bei 0,94 — die Ketten bleiben Oligomere (ca. 17 Monomerbausteine, \(M \approx 1\,500\,\text{g/mol}\)); mit Vakuum steigt die Kettenlänge am Ende sprunghaft.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Veresterung ist eine Gleichgewichtsreaktion. Ohne Vakuum reichert sich Wasser an, Hin- und Rückreaktion (Hydrolyse) laufen gleich schnell — der Umsatz bleibt bei 0,94. Im Vakuum wird Wasser laufend entfernt; nach Le Chatelier verschiebt sich das Gleichgewicht zu den Produkten und der Umsatz nähert sich 1.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Bleibt der Überschuss im Ansatz, tragen am Ende alle Ketten OH-Endgruppen, die nicht miteinander kondensieren — \(\overline{X}_n\) wird begrenzt (bei \(r = 1/1{,}1\) höchstens \((1+r)/(1-r) = 21\)). Sinnvoll ist der Überschuss nur, weil Ethandiol (Sdp. 197 °C) im Vakuum wieder abdestilliert wird: Die Ketten verknüpfen sich dann unter Abspaltung von Ethandiol (Umesterung), bis das Verhältnis wieder 1 : 1 ist. Ohne dieses Abziehen ist der Vorschlag ungeeignet.