Radikalische Polymerisation

Guten Tag und herzlich willkommen. Dieses Video heißt: Radikalische Polymerisation für den Grundkurs. Der Film gehört zu der Reihe: Kunststoffe. Für die notwendigen Vorkenntnisse wäre es schön, wenn ihr den Film "Eigenschaften von Kunststoffen für den Grundkurs" bereits gesehen habt. Mein Ziel ist es, dass ihr nach dem Schauen des Films Vorstellungen über den Mechanismus der radikalischen Polymerisation besitzt. Das Video ist in sechs Abschnitte untergliedert: 1. Ein weißes Pulver. 2. Was ist ein Radikal? 3. Der Mechanismus im Modell. 4. Der Mechanismus in Formelschreibweise. 5. Welche Polymere sind herstellbar? 6. Zusammenfassung.   1. Ein weißes Pulver Im Jahre 1835 gelang es dem französischen Chemiker Henri Victor Regnault Vinylchlorid herzustellen. Bei dieser Verbindung handelt es sich um ein Gas. Der Forscher beobachtete, dass sich bei Sonneneinstrahlung das Gas in ein weißes Pulver verwandelte. Regnault konnte diesen Vorgang nicht erklären. Was geht dort vor sich? Wie läuft es ab? Und warum geschieht es? Heute wissen wir, dass bei der Reaktion Polyvinylchlorid entstand. Man nennt diesen Kunststoff auch kurz PVC. Wir haben es mit einer Radikalischen Polymerisation zu tun. Und daher stellen wir uns 2. die Frage: Was ist ein Radikal? Durch einen Strich wird in der Chemie gewöhnlich eine chemische Bindung veranschaulicht. Diese Bindung besteht aus zwei Elektronen. Die Bindung verändert sich, wenn Sonnenstrahlen auf sie gelangen. Das können aber auch Röntgen- oder Gammastrahlen sein. Die Bindung wird gespalten, und die beiden Elektronen, die sie gebildet haben, werden getrennt. Nun haben wir es mit ungepaarten Elektronen zu tun. Ein Teilchen, was ungepaarte Elektronen besitzt bezeichnet man als Radikal. Ein solches Radikal entsteht zum Beispiel aus einem einfachen Kohlenwasserstoff. Der Kohlenwasserstoff heißt Ethan. Durch Bestrahlung kann er in Radikale gespalten werden. Hier entstehen Ethylradikale. Ein Radikal R kann zum Beispiel mit einer Doppelbindung reagieren. Die Doppelbindung gehört hier zum einfachsten Alken, dem Ethen. Im Ergebnis entsteht ein neues, größeres Radikal. Wir halten fest: Radikale sind reaktionsfähige Teilchen. Sie können mit Doppelbindungen reagieren. 3. Der Mechanismus im Modell Als Beispiel für ein Monomer wollen wir Ethylen auswählen. Eine andere Bezeichnung für Ethen. Die schwarzen Kügelchen sind Kohlenstoffatome (C) bei den weißen Kügelchen handelt es sich um Wasserstoffatome (H). Das Radikal ist rot mit einem lilafarbenen Pfeil Elektroden. Die erste Stufe des Mechanismus bezeichnet man als Start. Man benötigt dafür ein Ethenmolekül. Wir wollen im weiteren den Industrienamen Ethylen verwenden. Außerdem benötigen wir ein Radikal. Das Radikal tritt in Wechselwirkung mit dem Ethylenmolekül. Durch die Wechselwirkung  beider Teilchen wird die Doppelbindung im Ethylen aufgebrochen. Das freie Elektronenpaar geht an das rechte Kohlenstoffatom und zwischen den Kohlenstoffatomen entsteht eine Einfachbindung.  Es bildet sich ein größeres Radikal. Dieses Radikal reagiert nun mit einem weiteren Ethylenmolekül auf die gleiche Art. Die Vergrößerung des Moleküls wird als Wachstum bezeichnet. Es entsteht ein noch größeres Radikal. Dieses reagiert mit einem weiteren Ethylenmolekül. Es entsteht ein noch größeres Radikal. Der Vorgang wiederholt sich und schließlich erhalten wir ein ganz großes Radikal, ein Polymer. In unserem Fall heißt es Polyethylen. Und schließlich kommen wir zur dritten Stufe des Mechanismus: dem Abbruch. Eine Möglichkeit besteht in der Rekombination. Bei der Rekombination reagieren zwei Radikale miteinander und bilden ein echtes, chemisches Molekül aus. Und das ist natürlich ein Polymer. In unserem Fall Polyethylen. Der Abbruch kann auch durch Disproportionierung erfolgen. In diesem Fall wandert ein Wasserstoffatom aus der Nachbarstellung des freien Elektrons zum anderen Radikal. Es entsteht ein Alkan. Aus dem anderen Radikal bildet sich eine Verbindung mit Doppelbindung, ein Alken. 4. Der Mechanismus in Formelschreibweise Beim Start reagiert ein Radikal mit einem Ethylenmolekül (R+C2H4). Dabei wird eine Bindung der Doppelbindung aufgespalten. Das Elektronenpaar wird getrennt. Es entsteht ein neues Teilchen. Ein größeres Radikal. Nun setzt das Wachstum ein. Das größere Radikal reagiert mit einem weiteren Ethylenmolekül. Es entsteht ein noch größeres Radikal. Die Reaktion setzt sich fort bis sich ein sehr, sehr großes Radikal bildet. Das ist ein Polymer. In unserem Fall Polyethylen. Und schließlich kommt es zum Abbruch der Reaktion.  Eine Möglichkeit besteht darin, dass zwei gebildete große Radikale miteinander in Wechselwirkung treten. Sie vereinen ihre beiden freien Elektronen zu einer neuen chemischen Bindung. Es bildet sich ein sehr großes Molekül. Und natürlich können die beiden beteiligten Radikale auch verschieden groß sein. Diese Art des Abbruchs bezeichnet man als Rekombination. Die zweite Möglichkeit ist die Disproportionierung. Ein Wasserstoffatom löst sich von einem Radikal und geht an das ungepaarte Elektron des anderen Radikals. Im Ergebnis entsteht ein Molekül mit einer Doppelbindung. Das zweite Molekül hat nur Einfachbindungen. Es haben sich ein Alken und ein Alkan gebildet.    5. Welche Polymere sind herstellbar? Es gibt verschiedene Möglichkeiten das aus einem Monomer ein Polymer durch Reaktion mit einem Radikal entsteht. Wir haben gezeigt, dass Ethylen radikalisch polymerisiert. Es entsteht der Kunststoff Polyethylen. Vinylchlorid polymerisiert ebenfalls radikalisch. Es entsteht Polyvinylchlorid. Die Reaktion läuft auch mit Acrylnitril ab. Es entsteht Polyacrylnitril. Auch Tetrafluorethylen polymerisiert radikalisch. Es entsteht Polytetrafluorethylen. Vielleicht kennt ihr es unter dem Namen Teflon. Und schließlich kann Styrol radikalisch polymerisieren. Es entsteht Polystyrol. Wir kennen es unter anderem als Styropor. 6. Zusammenfassung Ein Polymer bildet sich radikalisch, wenn ein Monomer und ein Radikal vorhanden sind. Den Mechanismus kann man in Start, Wachstum und Abbruch untergliedern. Der Abbruch ist durch Rekombination oder Disproportionierung möglich. Durch radikalische Polymerisation können die Kunststoffe Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polyacrylnitril, Polytetrafluorethylen und Polystyrol hergestellt werden.   Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.