Der Nylonseiltrick
AFB I–IIBeim „Nylonseiltrick“ wird eine Lösung von Hexan-1,6-diamin in verdünnter Natronlauge vorsichtig mit einer Lösung von Decandisäuredichlorid \(\ce{ClOC-(CH2)8-COCl}\) in Heptan überschichtet. An der Grenzfläche der beiden nicht mischbaren Flüssigkeiten bildet sich sofort ein Film, den man mit einer Pinzette als endlosen Faden herausziehen kann. Es entsteht Polyamid 6.10; abgespalten wird Chlorwasserstoff.
- Geben Sie die beiden Monomere und die Art der Bindung an, über die sie im Polymer verknüpft sind.
- Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Verknüpfung je eines Moleküls der beiden Monomere.
- Erklären Sie, warum sich das Polymer nur an der Grenzfläche bildet und warum die Diamin-Lösung Natronlauge enthält.
- Zeichnen Sie einen Ausschnitt aus zwei benachbarten Polyamid-Ketten mit den Wasserstoffbrücken zwischen ihnen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Hexan-1,6-diamin \(\ce{H2N-(CH2)6-NH2}\) und Decandisäuredichlorid \(\ce{ClOC-(CH2)8-COCl}\); Verknüpfung über Amidbindungen \(\ce{-CO-NH-{}}\) (Polyamid, Polykondensat).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\ce{H2N-(CH2)6-NH2 + ClOC-(CH2)8-COCl}\) \(\ce{-> H2N-(CH2)6-NH-CO-(CH2)8-COCl + HCl}\)
Beide Enden tragen weiterhin reaktive Gruppen; die Kette kann an beiden Seiten weiterwachsen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Das Diamin ist nur in der wässrigen, das Säurechlorid nur in der Heptan-Phase gelöst; die Moleküle treffen nur an der Grenzfläche aufeinander. Zieht man den Film heraus, bildet sich an der frischen Grenzfläche sofort neues Polymer. Der entstehende Chlorwasserstoff würde die Aminogruppen protonieren (\(\ce{R-NH2 + HCl -> R-NH3+ + Cl-}\)); Ammoniumgruppen haben kein freies Elektronenpaar mehr und reagieren nicht. Die Natronlauge neutralisiert den Chlorwasserstoff (\(\ce{HCl + OH- -> H2O + Cl-}\)).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Zwei parallel gezeichnete Ketten mit Amidgruppen –CO–NH– (dazwischen CH₂-Ketten); zwischen dem H-Atom einer N–H-Gruppe der einen Kette und dem O-Atom einer C=O-Gruppe der Nachbarkette jeweils eine gestrichelte Wasserstoffbrücke N–H···O=C.
Harze für Lacke
AFB II–IIIAlkydharze sind Bindemittel in Lacken. Man stellt sie aus Propan-1,2,3-triol (Glycerin) und Benzol-1,2-dicarbonsäure (Phthalsäure) her. Setzt man statt Glycerin Ethan-1,2-diol (Glykol) ein, entsteht dagegen ein linearer Polyester (M2).
| Glycerin + Phthalsäure | Ethan-1,2-diol + Phthalsäure | |
|---|---|---|
| Verhalten beim Erwärmen des Produkts | härtet aus, wird nicht mehr weich | wird weich, lässt sich ziehen |
| Löslichkeit des Endprodukts in Lösemitteln | unlöslich, quillt nicht | löslich bzw. quellbar |
| \(M\) in \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) | Glycerin \(92{,}09\); Phthalsäure \(166{,}13\) | \(\ce{H2O}\): \(18{,}02\) |
- Erläutern Sie, warum mit Glycerin ein räumlich vernetzter Polyester entsteht.
- Vergleichen Sie die beiden Produkte aus M2 im Hinblick auf Struktur und Kunststoffklasse.
- Berechnen Sie die Masse an Harz, die bei vollständigem Umsatz aus 1,00 mol Glycerin und 1,50 mol Phthalsäure entsteht.
- Beurteilen Sie die Eignung des Alkydharzes als Bindemittel für einen Fensterlack.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Glycerin trägt drei Hydroxygruppen, Phthalsäure zwei Carboxygruppen. Jedes Glycerin-Molekül kann daher mit drei Säure-Molekülen Esterbindungen eingehen; die Kette verzweigt sich an jedem Glycerin-Baustein, die Äste verbinden sich wieder mit anderen Ketten — es entsteht ein dreidimensionales Netz aus Atombindungen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Gemeinsam: Polyester aus Phthalsäure, gebildet durch Polykondensation unter Wasserabspaltung. Ethan-1,2-diol ist bifunktionell → lineare, unvernetzte Ketten → Thermoplast (wird beim Erwärmen weich, löslich). Glycerin ist trifunktionell → engmaschig vernetzt → Duroplast (härtet aus, unlöslich, nicht schmelzbar).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
1,00 mol Glycerin bildet 3 Esterbindungen → 3,00 mol \(\ce{H2O}\). \(m(\text{Edukte}) = 92{,}09\,\mathrm{g} + 1{,}50\cdot166{,}13\,\mathrm{g} = 341{,}3\,\mathrm{g}\); \(m(\ce{H2O}) = 3{,}00\cdot18{,}02\,\mathrm{g} = 54{,}1\,\mathrm{g}\); \(m(\text{Harz}) \approx 287\,\mathrm{g}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Für: Das vernetzte Harz ist nach dem Aushärten hart, unlöslich und formstabil auch bei Sonneneinstrahlung; es haftet und schützt das Holz. Gegen: Estergruppen können langsam hydrolysiert werden (Feuchtigkeit), ein ausgehärteter Lack ist nicht mehr lösbar und lässt sich nur mechanisch entfernen; Ausgangsstoffe teils aus Erdöl. Urteil: Für einen dauerhaften Fensterlack überwiegen die Vorteile der Vernetzung; der Lack wird im noch nicht vollständig vernetzten Zustand aufgetragen und härtet auf dem Holz aus.