Taktizität von Polymeren

Taktizität von Polymeren Übung

• Erkenne wichtige Eigenschaften von Polymeren mit regelmäßigen und unregelmäßigen Strukturen.

  Tipps

  Kristallinität bedeutet Regelmäßigkeit in der atomaren Anordnung.

  Stoffe mit unregelmäßigem molekularen Aufbau sind mechanisch unbeständig.

  Lösung

  Polymere mit regelmäßiger atomarer Anordnung sind häufig energetisch stabiler als Polymere, deren Atome unregelmäßig angeordnet sind. Die Regelmäßigkeit führt daher oft zur Kristallinität, zu höheren Erweichungstemperaturen und zu einer höheren mechanischen Beständigkeit. Polymere mit stochastischer atomarer Anordnung hingegen erweichen bei niedrigeren Temperaturen. Die Bindungen zwischen den Teilchen sind schwächer und ihre mechanische Beständigkeit ist geringer.

• Beschreibe den Begriff der Taktizität.

  Tipps

  Grob gesprochen: isotaktisch = gleich angeordnet

  Grob gesprochen: ataktisch = nicht angeordnet

  Lösung

  Die griechischen Vorsilben helfen weiter. Isotaktisch heißt Anordnung des Substituenten auf einer Seite des Polymers. Ataktisch bedeutet eine unregelmäßige Substituentenanordnung. Sagt man syndiotaktisch, so wechselt der Substituent ständig die Seite. Ist ein Substituent (je Monomer) vorhanden, so hat man verschiedene räumliche Strukturen. Wir sprechen dann von Taktizität. Der Begriff der Taktizität verliert seinen Sinn, wenn keines der Wasserstoff-Atome substituiert ist. Es gibt dann keine unterschiedlichen atomaren Anordnungen im Molekül.

• Beschreibe die wichtigen Merkmale einer radikalischen Polymerisation.

  Tipps

  Eine radikalische Polymerisation benötigt eine hohe Energiezufuhr.

  Eine radikalische Polymerisation liefert häufig eine unregelmäßige Struktur.

  Es gibt nur eine Taktizität, die einer unregelmäßigen Struktur entspricht.

  Lösung

  Der radikalische Weg zum Polymer ist energetisch anspruchsvoll. Man benötigt hohe Temperaturen, auch um den Initiator zu aktivieren. Ein Inhibitor hingegen liefert keine Radikale, er „schluckt“ sie. Der Initiator ist kein Katalysator, da er sich während der Reaktion verbraucht. Man verwendet hohe Drücke, um dem gasförmigen Edukt eine höhere Konzentration zu verleihen. Dadurch wird die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht. Da eine radikalische Reaktion schnell abläuft, ist das Polymer nicht von einheitlicher (regelmäßiger) Struktur. Das entstehende Stellungsmuster des Chlor-Atoms wird als ataktisch bezeichnet. Eine solche Verbindung ist amorph, nicht kristallin.

• Bestimme die Taktizitäten in folgenden Polymeren.

  Tipps

  Taktizität bedeutet Ausrichtung der Substituenten.

  Isotaktisch heiß Gleichausrichtung.

  Syndiotaktisch heißt alternierend.

  Lösung

  Das Polymer im Bild besitzt eine syndiotaktische Struktur. Die Substituenten $-R$ wechseln sich in ihrer Ausrichtung fortlaufend ab.

  Die Struktur ist ataktisch, wenn die Substituenten $-R$ unregelmäßig angeordnet sind.

  Wenn die Substituenten $-R$ alle auf der gleichen Seite der Polymerenkette liegen, ist die Struktur isotaktisch.

• Benenne einige Polymere als kristallin oder amorph.

  Tipps

  Kristallin sind Polymere meist dann, wenn sie aus sehr regelmäßigen Strukturelementen bestehen.

  Amorph liegen Polymere häufig vor, wenn die Symmetrie der Strukturelemente durch Substituenten „gestört“ wird.

  Sind alle Wasserstoff-Atome des Monomers gleich substituiert, bleibt die Regelmäßigkeit (Symmetrie) des Polymers erhalten.

  Lösung

  Tatsächlich ist es so, dass die regelmäßig aufgebauten Polymere als Feststoff kristallin auftreten. Das trifft auf Polyethylen, Polyoxymethylen und Polytetrafluorethylen zu. Bei den ersten beiden Vertretern wird die Regelmäßigkeit der Anordnung nicht gestört, da alle Wasserstoff-Atome unsubstituiert sind. Das Molekül des Polytetrafluorethylens enthält an der Kohlenstoff-Kette ausschließlich Fluor-Atome anstelle der Wasserstoff-Atome im Polyethylen. Die regelmäßige Struktur bleibt erhalten. Anders verhält es sich mit Polyvinylchlorid, Polystyrol und Polyvinylfluorid. Die jeweils einfache Substitution des Monomers führt zu einer Störung der Regelmäßigkeit in der Struktur. Die Polymere können keine kristalline Struktur aufbauen. Sie bleiben pulverförmig, amorph.

• Beschreibe den Mechanismus einer katalytischen Polymerisation.

  Tipps

  Ein Kation ist ein positiv geladenes Ion.

  Kettenwachstum funktioniert von klein nach groß.

  Aus einem Ion und einem Neutralteilchen entsteht wieder ein Ion.

  Beim Abbruch der Reaktion wird der Katalysator rückgebildet.

  Wenn die Reaktion stoppt, muss die Polymerkette an einer Stelle ungesättigt sein.

  Lösung

  1. Das Wasserstoff-Ion reagiert elektrophil mit der Doppelbindung des Ethen-Moleküls. Es entsteht ein Ethyl-Kation. ${H^{\oplus}}+{C{H_2}=C{H_2}}\longrightarrow{C{H_3}-C{H_2}^{\oplus}}$
  2. Das gebildete Ethyl-Kation reagiert mit einem weiteren Ethen-Molekül zu einem n-Butyl-Kation. $C{H_3}-C{H_2}^{\oplus} + C{H_2}=C{H_2} \longrightarrow$ $C{H_3}C{H_2}C{H_2}C{H_2}^{\oplus}$
  3. Das gebildete n-Butyl-Kation reagiert mit einem weiteren Ethen-Molekül zu einem n-Hexyl-Kation. $C{H_3}C{H_2}C{H_2}C{H_2}^{\oplus} + C{H_2}=C{H_2} \longrightarrow$ $C{H_3}C{H_2}C{H_2}C{H_2}C{H_2}C{H_2}^{\oplus}$
  4. Beim Abbruch der Reaktion an dieser Stelle spaltet das Hexyl-Kation das Wasserstoff-Ion ab. Es entsteht ein Molekül von Hex-1-en. $C{H_3}C{H_2}C{H_2}C{H_2}C{H_2}C{H_2}^{\oplus} \longrightarrow$$C{H_3}C{H_2}C{H_2}C{H_2}C{H}=C{H_2}+ {H^{\oplus}}$