Drei Proben auf der Heizplatte
AFB I–IIIn einem Schülerversuch werden drei Kunststoffproben im Abzug langsam auf einer Heizplatte erhitzt; mit einem Glasstab wird geprüft, ob sie sich verformen lassen. Anschließend werden die abgekühlten Proben gedehnt bzw. gebogen. Die Beobachtungen zeigt M1.
| Probe | bei Raumtemperatur | beim Erhitzen | nach dem Abkühlen |
|---|---|---|---|
| X (Schweißdraht für Kunststoffrohre) | fest, biegsam | ab ca. 130 °C weich, dann zähflüssig | wieder fest, neue Form bleibt |
| Y (Dichtung einer Taucherbrille) | lässt sich stark dehnen, springt zurück | bleibt elastisch, ab ca. 250 °C Rauch, Verfärbung | bleibt dehnbar, oberflächlich verkohlt |
| Z (Schalter eines Lichtschalters) | hart, bricht beim Biegen | keine Erweichung, ab ca. 300 °C Verkohlung | unverändert hart, geschwärzt |
- Nennen Sie die drei Kunststoffklassen und die jeweilige Verknüpfung der Makromoleküle.
- Ordnen Sie die Proben X, Y und Z mithilfe von M1 jeweils einer Kunststoffklasse zu.
- Erklären Sie das Verhalten von X und Z beim Erhitzen auf der Teilchenebene.
- Skizzieren Sie für jede Probe ein vereinfachtes Teilchenmodell der Ketten (Striche für Ketten, Punkte für Vernetzungsstellen).
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Thermoplaste: lineare oder verzweigte, unvernetzte Ketten, nur durch zwischenmolekulare Kräfte zusammengehalten. Elastomere: Ketten weitmaschig durch Atombindungen vernetzt. Duroplaste: Ketten engmaschig durch Atombindungen vernetzt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
X: schmilzt und lässt sich neu formen → Thermoplast. Y: gummielastisch, schmilzt nicht → Elastomer. Z: hart, spröde, verkohlt ohne zu erweichen → Duroplast.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
X: Mit steigender Temperatur bewegen sich die Ketten stärker, die zwischenmolekularen Kräfte werden überwunden, die Ketten gleiten aneinander vorbei — der Kunststoff wird weich und fließt. Beim Abkühlen bilden sich die Kräfte neu, die neue Form bleibt erhalten (Schweißen möglich).
Z: Die Ketten sind durch viele Atombindungen zu einem Netz verbunden; sie können nicht aneinander vorbeigleiten. Bevor diese Bindungen gelöst werden könnten, brechen Bindungen in den Ketten — der Stoff zersetzt sich.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
X: viele einzelne, verschlungene Striche ohne Verbindungspunkte. Y: verschlungene Striche mit wenigen Verbindungspunkten (große Maschen). Z: dichtes Netz mit vielen Verbindungspunkten (kleine Maschen).
Polyethen ist nicht gleich Polyethen
AFB II–IIIPolyethen (PE) gibt es in verschiedenen Sorten. PE-LD (low density) hat viele, teilweise lange Seitenketten; PE-HD (high density) ist nahezu unverzweigt. Für Fußbodenheizungen und Warmwasserleitungen verwendet man PE-X: PE-HD, dessen Ketten nach der Formgebung nachträglich weitmaschig vernetzt werden.
| Eigenschaft | PE-LD | PE-HD | PE-X |
|---|---|---|---|
| Dichte in g/cm³ | 0,91–0,93 | 0,94–0,97 | etwa 0,94 |
| kristalliner Anteil | 40–50 % | 60–80 % | etwa 60–70 % |
| Schmelztemperatur | etwa 110 °C | etwa 135 °C | schmilzt nicht, formstabil |
| typische Verwendung | Gefrierbeutel, Folien | Flaschen, Eimer | Heizungs- und Wasserrohre |
- Vergleichen Sie PE-LD und PE-HD anhand von M2.
- Erläutern Sie die Unterschiede in Dichte und Schmelztemperatur mithilfe des Molekülbaus.
- Deuten Sie das Verhalten von PE-X beim Erhitzen und ordnen Sie PE-X einer Kunststoffklasse zu.
- Beurteilen Sie, ob PE-X für Warmwasserrohre besser geeignet ist als PE-HD, und berücksichtigen Sie dabei auch die Entsorgung.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Gemeinsam: gleiche Repetiereinheit (aus Ethen), beide unvernetzte, unpolare Thermoplaste. Unterschiede: PE-HD ist kaum verzweigt, hat eine höhere Dichte, einen größeren kristallinen Anteil und schmilzt etwa 25 K höher; PE-LD ist weicher und wird für Folien verwendet, PE-HD für steife Behälter.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Unverzweigte PE-HD-Ketten können sich dicht und parallel aneinanderlagern (kristalline Bereiche). Dadurch passt mehr Masse in ein Volumen (höhere Dichte), und die Kontaktflächen zwischen den Ketten sind größer: Die Van-der-Waals-Kräfte sind stärker, zum Schmelzen muss mehr Energie zugeführt werden. Die Seitenketten von PE-LD verhindern eine dichte Packung; die Kräfte sind schwächer.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
In PE-X verbinden zusätzliche Atombindungen die Ketten weitmaschig. Beim Erhitzen werden zwar die kristallinen Bereiche aufgelöst, die Ketten können aber nicht aneinander vorbeigleiten — PE-X fließt nicht, sondern bleibt formstabil und gummiartig nachgiebig. Nach der Struktur ist PE-X damit ein Elastomer (weitmaschig vernetzt).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Für: PE-HD würde bei Dauerbelastung mit heißem Wasser und Druck langsam fließen bzw. sich verformen; PE-X bleibt durch die Vernetzung formstabil, ist zugleich flexibel und korrosionsfrei. Gegen: PE-X lässt sich nicht einschmelzen und daher nicht werkstofflich recyceln, und Rohrverbindungen können nicht verschweißt werden. Urteil: Für die lange Nutzungsdauer im Heizungsrohr überwiegt die Formstabilität; PE-X ist besser geeignet, die schlechtere Verwertbarkeit ist der Preis dafür.