Vier Proben aus dem Haushalt
AFB I–IIIm Chemieunterricht sollen vier unbekannte, kompakte Kunststoffproben P1 bis P4 aus dem Haushalt identifiziert werden. Zur Verfügung stehen Wasser, gesättigte Kochsalzlösung (etwa 1,2 g/cm³), ein Kupferdraht für die Beilsteinprobe und ein Abzug für Brennproben. Die Ergebnisse zeigt M1.
| Probe | Wasser | Salzlösung | Beilsteinprobe | Brennprobe |
|---|---|---|---|---|
| P1 | schwimmt | schwimmt | keine Grünfärbung | helle Flamme, tropft, Kerzengeruch |
| P2 | sinkt | schwimmt | keine Grünfärbung | stark rußend, süßlicher Geruch |
| P3 | sinkt | sinkt | grüne Flamme | erlischt außerhalb der Flamme, stechender Geruch |
| P4 | sinkt | sinkt | keine Grünfärbung | rußt schwach, tropft |
- Beschreiben Sie die Durchführung der Beilsteinprobe.
- Bestimmen Sie mithilfe von M1 und den Dichten der Kunststoffe die Identität der Proben P2 bis P4.
- Erklären Sie das Ergebnis der Beilsteinprobe bei P3; die Reaktion beim Erhitzen lässt sich vereinfacht als \(\ce{[-CH2-CHCl-{}]_{n}}\) \(\ce{-> [-CH=CH-{}]_{n} + n HCl}\) beschreiben.
- Bewerten Sie die Aussagekraft der Versuche für P1 und schlagen Sie eine weitere Probe vor.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Einen Kupferdraht in der nichtleuchtenden Brennerflamme ausglühen, bis die Flamme nicht mehr gefärbt ist (Oberfläche wird zu Kupferoxid, Verunreinigungen verbrennen). Den heißen Draht auf die Probe drücken, sodass etwas Kunststoff anhaftet, und wieder in die Flamme halten. Grüne bis blaugrüne Flammenfärbung zeigt Halogen (hier Chlor) an. Im Abzug arbeiten.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
P2: sinkt in Wasser, schwimmt in Salzlösung → Dichte zwischen 1,0 und 1,2 g/cm³, stark rußend → PS. P3: dichter als 1,2 g/cm³, chlorhaltig → PVC. P4: dichter als 1,2 g/cm³, chlorfrei → PET.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Beim Erhitzen spaltet PVC Chlorwasserstoff ab. Dieser reagiert mit dem Kupferoxid auf dem Draht zu Kupferchloriden (z. B. \(\ce{CuO + 2 HCl -> CuCl2 + H2O}\)), die in der Flamme verdampfen und sie grün färben. Andere Kunststoffe enthalten kein Chlor und zeigen keine Färbung.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
P1 schwimmt in Wasser und verhält sich beim Brennen wie Paraffin: Es ist ein Polyolefin, also PE oder PP. Eine Unterscheidung ist mit M1 nicht möglich, weil beide Stoffe fast gleich brennen und beide leichter als Wasser sind. Vorschlag: Schwimmprobe in einem Ethanol-Wasser-Gemisch der Dichte 0,92 g/cm³ — PP (0,90–0,91) schwimmt, PE-HD (0,94–0,97) sinkt; PE-LD (0,91–0,93) liegt nahe an der Grenze, das Ergebnis ist dann nur mit Vorsicht zu werten. Die Versuche grenzen also ein, liefern aber keinen Beweis.
Das Boot aus Polyester
AFB II–IIIRümpfe kleiner Boote bestehen oft aus glasfaserverstärktem UP-Harz (ungesättigtes Polyesterharz). Seine Herstellung verläuft in zwei Schritten: 1. Maleinsäure (cis-Butendisäure, \(\ce{HOOC-CH=CH-COOH}\)) reagiert mit Propan-1,2-diol zu einem linearen Polyester, dessen Ketten noch C=C-Doppelbindungen enthalten. 2. Dieser Polyester wird in Styrol gelöst; nach Zugabe eines Peroxids verbinden kurze Styrol-Abschnitte die C=C-Doppelbindungen benachbarter Polyesterketten. Das Harz härtet in der Form aus. Für Getränkeflaschen verwendet man dagegen den Polyester PET.
| Eigenschaft | PET | ausgehärtetes UP-Harz |
|---|---|---|
| Verhalten beim Erhitzen | erweicht ab etwa 80 °C, schmilzt bei etwa 250 °C | erweicht nicht, zersetzt sich oberhalb von etwa 300 °C |
| Löslichkeit | in einigen Lösemitteln quellbar | unlöslich |
| Verwertung | Einschmelzen zu Rezyklat möglich | nur Zerkleinern (Füllstoff) oder Verbrennen |
- Erläutern Sie die beiden Reaktionsschritte der UP-Harz-Herstellung und benennen Sie jeweils den Reaktionstyp.
- Ordnen Sie PET und das ausgehärtete UP-Harz in beide Ordnungssysteme (Bildungsreaktion und Kunststoffklasse) ein.
- Vergleichen Sie die Eigenschaften in M2 und führen Sie sie auf den Bau der Makromoleküle zurück.
- Diskutieren Sie die Aussage: „Die Bildungsreaktion eines Kunststoffs legt fest, zu welcher Kunststoffklasse er gehört.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Schritt 1: Die Carboxygruppen der Maleinsäure reagieren mit den Hydroxygruppen des Diols unter Wasserabspaltung zu Esterbindungen (Polykondensation); die C=C-Doppelbindungen der Maleinsäure bleiben unverändert in der Kette. Schritt 2: Das Peroxid liefert Radikale; Styrol-Moleküle und die C=C-Doppelbindungen der Polyesterketten reagieren in einer radikalischen Polymerisation (Addition). Kurze Polystyrol-Brücken verknüpfen so benachbarte Ketten durch Atombindungen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
PET: Polykondensat, Thermoplast (lineare, unvernetzte Ketten). UP-Harz: Polykondensat (Grundkette) mit Vernetzung durch Polymerisation, engmaschig vernetzt → Duroplast.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Gemeinsam: Beide sind Polyester mit Esterbindungen in der Hauptkette. Unterschiede: PET erweicht und schmilzt, ist quellbar und lässt sich einschmelzen — seine Ketten sind nur durch zwischenmolekulare Kräfte verbunden und können aneinander vorbeigleiten. Das UP-Harz erweicht nicht, ist unlöslich und nicht einschmelzbar — die Ketten sind durch Atombindungen zu einem engmaschigen Netz verbunden, Lösemittel können die Ketten nicht voneinander trennen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Gegen die Aussage: Mit derselben Bildungsreaktion entstehen Thermoplaste (PET, PA 6.6) und Duroplaste (UP-Harz, Phenolharz); Polymerisate können Thermoplaste (PE) oder Elastomere (vulkanisierter Kautschuk) sein. Für die Aussage: Die Bildungsreaktion bestimmt, ob überhaupt Vernetzungsstellen entstehen können (z. B. trifunktionelle Monomere, Doppelbindungen in der Kette). Fazit: Die Klasse hängt von der Vernetzung ab; die beiden Ordnungssysteme sind unabhängig voneinander, die Aussage ist falsch.