Übung AFB III

Musterlösung: Der Vorschlag ist nicht umsetzbar. PE-Folien sind Thermoplaste: Ihre Ketten sind unvernetzt und nur durch zwischenmolekulare Kräfte verbunden; beim Erwärmen gleiten sie aneinander vorbei, der Stoff schmilzt.

Beim Vulkanisieren wurden die Kautschukketten dagegen durch Schwefelbrücken — also Atombindungen — weitmaschig vernetzt; es entstand ein Elastomer. Die Weichheit kommt von der weitmaschigen Vernetzung, nicht von fehlender Vernetzung. Beim starken Erhitzen brechen Atombindungen, der Schlauch zersetzt und verkohlt, statt zu schmelzen.

Fazit: Aus dem Merkmal „weich“ darf man nicht auf „schmelzbar“ schließen. Alte Schläuche lassen sich allenfalls zerkleinert als Granulat (z. B. für Sportbeläge) oder energetisch verwerten.

Musterlösung: Polypropen besteht aus unpolaren Kohlenwasserstoffketten; zwischen den Ketten wirken nur Van-der-Waals-Kräfte.

Polyamid-Ketten enthalten in regelmäßigen Abständen Amidgruppen \(\ce{-CO-NH\bond{-}}\). Das H-Atom am N-Atom einer Kette bildet mit dem O-Atom der C=O-Gruppe einer Nachbarkette Wasserstoffbrücken. In verstreckten Fasern liegen die Ketten parallel, sodass sehr viele dieser Brücken entstehen.

Um die Faser zu zerreißen, müssen die Ketten gegeneinander verschoben werden; dazu müssen zahlreiche Wasserstoffbrücken gleichzeitig gelöst werden — dafür ist deutlich mehr Kraft nötig als bei PP. Das geringere Gewicht von PP gleicht diesen Nachteil nicht aus.

Musterlösung: Für die Aussage spricht: PLA stammt aus nachwachsenden Rohstoffen; der gebundene Kohlenstoff wurde zuvor von Pflanzen als \(\ce{CO2}\) aufgenommen. Als Polyester lässt es sich hydrolysieren; eine rohstoffliche Verwertung zurück zur Milchsäure ist möglich.

Dagegen spricht: „Biologisch abbaubar“ gilt nur in industriellen Kompostieranlagen; in der Natur zerfällt ein PLA-Becher kaum schneller als andere Kunststoffe. Beim Kompostieren entstehen nur \(\ce{CO2}\) und Wasser — der Stoff geht verloren wie bei der energetischen Verwertung. In der gelben Tonne wird PLA oft nicht erkannt und verunreinigt sortenreine Rezyklate, z. B. aus PET. Außerdem beansprucht der Anbau von Mais Ackerfläche.

Eigenes Urteil: Die Aussage ist irreführend. Umweltfreundlich wäre ein PLA-Becher erst, wenn er gesammelt und stofflich verwertet wird; für Einwegbecher ist ein Mehrwegsystem die bessere Lösung.

Musterlösung: (1) Schwimmprobe in Wasser (\(1{,}00\,\mathrm{g\,cm^{-3}}\)): Nur Polypropen (\(0{,}90\)) schwimmt → Probe identifiziert.

(2) Die beiden gesunkenen Proben in gesättigte Kochsalzlösung (\(\approx1{,}2\,\mathrm{g\,cm^{-3}}\)) geben: PMMA (\(1{,}18\)) schwimmt knapp, PVDC (\(1{,}65\)) sinkt. Wichtig: Luftblasen abstreifen, sonst täuschen sie ein Schwimmen vor.

(3) Absicherung durch die Beilsteinprobe mit ausgeglühtem Kupferdraht: Nur die chlorhaltige Probe PVDC färbt die Flamme grün. Die Probe wird nur mit kleinen Mengen im Abzug durchgeführt, weil Chlorwasserstoff entsteht. Alle drei Kunststoffe sind Thermoplaste — Erhitzen würde sie also nicht unterscheiden.

Musterlösung: Das Monomer trägt eine Aminogruppe und eine Carboxygruppe — es ist bifunktionell und kann mit sich selbst kondensieren. Die Carboxygruppe eines Moleküls reagiert mit der Aminogruppe des nächsten unter Abspaltung von Wasser zu einer Amidbindung \(\ce{-CO-NH\bond{-}}\).

Die Repetiereinheit lautet \(\ce{[-NH-(CH2)5-CO\bond{-}]_{n}}\). Anders als bei PA 6.6 genügt hier ein einziges Monomer, weil beide reaktiven Gruppen im selben Molekül sitzen („Kopf an Schwanz“).

Es handelt sich um ein Polyamid (Polyamid 6) und damit um ein Polykondensat. Da es Fasern bildet und hydrolysiert werden kann, ohne dass Vernetzungsbausteine auftreten, ist es ein unvernetzter Thermoplast. Zwischen den Ketten wirken Wasserstoffbrücken wie in allen Polyamiden.

Musterlösung: Die Form des Haars wird durch die Tertiärstruktur des Keratins bestimmt; besonders fest sind die Disulfidbrücken (Atombindungen \(\ce{-S-S\bond{-}}\)) zwischen Cystein-Resten verschiedener Kettenabschnitte.

Das Reduktionsmittel spaltet diese Brücken zu \(\ce{-SH}\)-Gruppen; die Ketten werden gegeneinander beweglich. Auf dem Wickler werden die Ketten in eine neue Lage gezwungen, sodass sich nun andere Cystein-Reste gegenüberstehen.

Das Oxidationsmittel verknüpft je zwei benachbarte \(\ce{-SH}\)-Gruppen wieder zu Disulfidbrücken — jetzt zwischen neuen Partnern. Die neue Form ist dadurch fixiert. Die Primärstruktur (Sequenz) bleibt unverändert, nur die Raumstruktur ändert sich.

Musterlösung: Gemeinsamkeiten: Beide Fette sind Triglyceride, also Ester aus Glycerin und drei Fettsäuren; beide sind hydrophob und in Wasser unlöslich.

Unterschiede: Die Laurinsäurereste (12 C-Atome) sind kürzer, aber gesättigt; ihre Ketten sind gestreckt und lassen sich dicht aneinanderlagern. Die Linolensäurereste (18 C-Atome) sind länger, tragen aber drei cis-Doppelbindungen, die die Kette jeweils knicken.

Erklärung: Geknickte Ketten packen locker; die Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Molekülen sind trotz der größeren Kettenlänge schwächer. Der Einfluss der Doppelbindungen überwiegt den der Kettenlänge — Leinöl schmilzt deshalb weit unter, Kokosfett über Raumtemperatur.

Musterlösung: In der Ringform der Glucose ist C1 das Halbacetal-C-Atom; nur über eine freie Halbacetal-Gruppe kann sich der Ring zur Kette mit Aldehydgruppe öffnen, die Kupfer(II)-Ionen zu \(\ce{Cu2O}\) reduziert.

In der Maltose ist nur C1 der ersten Glucose-Einheit an C4 der zweiten gebunden. C1 der zweiten Einheit bleibt frei; dieser Ring kann sich öffnen — Maltose ist ein reduzierender Zucker.

In der Trehalose sind beide C1-Atome an der glykosidischen Bindung beteiligt. Keine Halbacetal-Gruppe ist frei, kein Ring kann sich öffnen, es entsteht keine Aldehydgruppe — die Fehling-Probe bleibt blau, genau wie bei Saccharose. Gleiche Summenformel und gleiche Bausteine sagen also nichts über das Verhalten aus; entscheidend ist die Verknüpfung.

Musterlösung: Die Blaufärbung entsteht, wenn sich Iod in das Innere einer Amylose-Helix einlagert. Nur α-1,4-verknüpfte Glucose-Ketten winden sich zu einer solchen Schraube.

Cellulose ist β-1,4-verknüpft; jeder zweite Baustein ist gedreht, die Kette ist gestreckt. Sie bildet keine Helix, deshalb bleiben Watte und Filterpapier (nahezu reine Cellulose) gelbbraun.

Das Kopierpapier muss daher zusätzlich Stärke enthalten — sie stammt aus der Leimung. Die Probe weist also nicht die Cellulose, sondern den Stärke-Zusatz nach. Zur Absicherung kann man eine Blindprobe mit Filterpapier und eine Vergleichsprobe mit Stärkelösung mitführen.

Musterlösung: Polymerisation: Monomere mit C=C lagern sich zusammen, aus der Doppel- wird eine Einfachbindung, nichts wird abgespalten — das entspricht einer (vielfach wiederholten) Addition.

Polyester, Polyamide, Peptide bzw. Proteine, Fette und Polysaccharide entstehen, indem zwei Moleküle unter Abspaltung von Wasser verknüpft werden — Kondensationen (Ester-, Amid- bzw. Peptid- und glykosidische Bindung).

Die Aussage trifft also zu: Addition und Kondensation genügen. Substitution und Eliminierung spielen bei der Bildung keine Rolle. Ergänzend: Der Ringschluss der Glucose ist eine Addition innerhalb eines Moleküls (OH an C=O), und jede Hydrolyse ist die Umkehrung einer Kondensation.