Kunststoffe und Naturstoffe: Zusammenfassung – Chemie Grundkurs

6.1 Kunststoffe

Wie Monomere verknüpft werden und wie stark die Ketten vernetzt sind, bestimmt Bildung, Eigenschaften und Verwertung eines Kunststoffs.

Die Vernetzung der Ketten entscheidet über die Kunststoffklasse

Kunststoffklassen

Thermoplaste: unvernetzt, schmelzbar, neu formbar. Elastomere: weitmaschig vernetzt, gummielastisch. Duroplaste: engmaschig vernetzt, hart. Vernetzte Kunststoffe zersetzen sich statt zu schmelzen.

Makromolekül aus Monomeren → Polymer

Struktur und Eigenschaften

Längere Ketten, weniger Verzweigung (dichtere Packung) und polare Gruppen verstärken die Kräfte zwischen den Ketten → fester, höhere Erweichungstemperatur.

PE-HD dichter und steifer als PE-LD

Radikalische Polymerisation

Monomere mit C=C; kein Nebenprodukt. Start: Starter zerfällt in Radikale · Kettenwachstum: Radikal addiert Monomer um Monomer · Abbruch: zwei Radikale kombinieren.

\(\ce{n CH2=CHX}\) \(\ce{-> [-CH2-CHX\bond{-}]_{n}}\)

Polykondensation

Bifunktionelle Monomere, Abspaltung von Wasser. Polyester: Diol + Dicarbonsäure (–COO–). Polyamid: Diamin + Dicarbonsäure (–CO–NH–), Wasserstoffbrücken zwischen den Ketten.

\(\ce{R-COOH + H2N-R'}\) \(\ce{-> R-CO-NH-R' + H2O}\)

Kunststoffe erkennen

Schwimmprobe (Wasser 1,00; Salzlösung ≈ 1,2 g/cm³), Erhitzen, Beilsteinprobe (grüne Flamme → Chlor), Brennprobe. Jeder Kunststoff: Polymerisat oder Polykondensat und Thermoplast, Elastomer oder Duroplast.

PP, PE schwimmen · PS, PET, PVC sinken

Verwertung

Werkstofflich (einschmelzen, nur sortenreine Thermoplaste) · rohstofflich (Pyrolyse, Hydrolyse zu Monomeren) · energetisch (Verbrennung, Wärme, \(\ce{CO2}\)). D 2023: 61,1 % energetisch.

\(\ce{C2H4 + 3 O2}\) \(\ce{-> 2 CO2 + 2 H2O}\)

CO₂-Bilanz beim Verbrennen (Rechnen mit der Repetiereinheit)

\(\dfrac{m(\ce{CO2})}{m(\text{Kunststoff})}=\dfrac{x\cdot M(\ce{CO2})}{M(\text{Repetiereinheit})}\)

x = Zahl der C-Atome in der Repetiereinheit · PE: \(2\cdot44{,}01:28{,}05=3{,}14\) · der Polymerisationsgrad \(n\) kürzt sich heraus

Zwei Fragen an jeden Kunststoff

Wie ist er entstanden (C=C → Polymerisat, Wasser abgespalten → Polykondensat)? Wie stark sind die Ketten vernetzt (→ Klasse)? Beide Antworten sind unabhängig voneinander.

6.2 Proteine und Fette

Aminosäuren und Fettsäuren werden durch Kondensation zu großen Molekülen verknüpft — ihre Raumstruktur bzw. Kettenform bestimmt die Eigenschaften.

Peptid- und Fettbildung sind Kondensationen

α-Aminosäuren

Aminogruppe und Carboxygruppe am selben C-Atom (α-C); der Rest R unterscheidet die 20 proteinogenen Aminosäuren. Außer Glycin chiral; in Proteinen nur L-Form.

\(\ce{H2N-CHR-COOH}\)

Zwitterion

Protonenübergang von der Carboxy- zur Aminogruppe im selben Molekül → salzartig, wasserlöslich, Zersetzung statt Schmelzen. Sauer: Kation, basisch: Anion; am IEP fast nur Zwitterionen.

\(\ce{H3N^+-CHR-COO^-}\)

Peptidbindung

Kondensation von Carboxy- und Aminogruppe zur Peptidgruppe; Kette mit Richtung vom N- zum C-Terminus. Primärstruktur = Sequenz.

Gly-Ala ≠ Ala-Gly

Raumstruktur

Sekundärstruktur: α-Helix, β-Faltblatt (H-Brücken im Rückgrat). Tertiärstruktur: Disulfidbrücken, Ionenbindungen, H-Brücken, VdW zwischen Resten. Quartärstruktur: mehrere Ketten. Denaturierung zerstört die Raumstruktur, nicht die Sequenz.

Hitze, Säure, Schwermetallsalze

Fette

Triglyceride: Ester aus Glycerin (Propan-1,2,3-triol) und drei Fettsäuren; Gemische mit Schmelzbereich; hydrophob.

\(\ce{C3H5(OH)3}\) + 3 R–COOH

Fest oder flüssig

Gesättigte Fettsäurereste: gestreckt, dichte Packung → fest. cis-C=C knickt die Kette → lockere Packung, schwächere VdW → Öl. Ungesättigte Reste entfärben Bromwasser.

Stearinsäure 69 °C · Ölsäure 16 °C · Linolsäure −7 °C

Wasser zählen

Eine Kette aus \(n\) Bausteinen hat \(n-1\) Verknüpfungen; ein Fett hat drei Estergruppen. Für jede Bindung wird bei der Bildung ein Wassermolekül frei und bei der Hydrolyse eines verbraucht.

6.3 Kohlenhydrate

Glucose ist der Baustein — wie die Ringe verknüpft sind, entscheidet über Geschmack, Verdaulichkeit und Nachweis.

Gleicher Baustein, andere Verknüpfung

Glucose und Fructose

Beide \(\ce{C6H12O6}\): Glucose ist eine Aldose (Aldehydgruppe an C1), Fructose eine Ketose (Ketogruppe an C2). Fischer-Projektion: OH an C5 rechts → D-Zucker.

Konstitutionsisomere

Ringschluss

OH an C5 addiert sich an die Carbonylgruppe → Halbacetal-Gruppe. Glucose: Sechsring, Fructose: Fünfring. Neue OH-Gruppe unten = α, oben = β; in Wasser Gleichgewicht über die Kette.

Glucose: 36 % α · 64 % β · < 1 % Kette

Zweifachzucker

Glykosidische Bindung: Halbacetal-Gruppe + OH-Gruppe → O-Brücke + Wasser. Maltose: Glc-α-1,4-Glc. Saccharose: α-Glucose-C1 an β-Fructose-C2 → keine Halbacetal-Gruppe frei.

\(\ce{C12H22O11 + H2O}\) \(\ce{-> 2 C6H12O6}\)

Vielfachzucker

Amylose: α-1,4, Helix · Amylopektin: zusätzlich α-1,6-Verzweigungen · Stärke = Gemisch, Energiespeicher. Cellulose: β-1,4, gestreckte Ketten, H-Brücken → Fasern.

Stärke verdaulich, Cellulose nicht

Fehling-Probe

Reduzierende Zucker (freie Halbacetal-Gruppe → Aldehydgruppe) reduzieren \(\ce{Cu^2+}\) zu ziegelrotem \(\ce{Cu2O}\). Positiv: Glucose, Fructose, Maltose. Negativ: Saccharose.

blau → grün → gelb → orange → ziegelrot

Iod-Stärke-Probe

Iod lagert sich in die Amylose-Helix ein → tiefblau; Amylopektin rotviolett. Beim Erwärmen verschwindet die Farbe. Negativ: Glucose, Saccharose, Cellulose.

Iod-Kaliumiodid-Lösung

Fehling-Probe als Redoxreaktion

\(\ce{R-CHO + 2 Cu^2+ + 5 OH-}\) \(\ce{-> R-COO- + Cu2O + 3 H2O}\)

Aldehydgruppe wird oxidiert, Kupfer(II)-Ionen werden zu Kupfer(I) reduziert · ein Zuckermolekül → ein \(\ce{Cu2O}\)

Kann sich der Ring öffnen?

Reduzierend ist ein Zucker nur, wenn mindestens eine Halbacetal-Gruppe frei ist. Summenformel und Bausteine allein verraten das nicht — entscheidend ist, welche C-Atome verknüpft sind.