Polymerisation einfach erklärt – Ablauf und Beispiele
Polymerisation ist eine Reaktion, bei der sich viele gleiche oder ähnliche Monomere ohne Abspaltung eines Nebenprodukts zu einem langkettigen Polymer verbinden. So entstehen wichtige Kunststoffe wie Polyethen und Polypropen aus einfachen Molekülen mit Doppelbindung. In dieser Lektion lernst du den Ablauf der radikalischen Polymerisation in drei Phasen, den Unterschied zu anderen Reaktionstypen und typische Anwendungen kennen.
- Fach: Chemie
- Klasse 11
- Thema: Organische Chemie
- Dauer: 20 Min
- Niveau: Schwer
Was Polymerisation ist
Polymerisation ist eine chemische Reaktion, bei der sich sehr viele kleine Moleküle, die Monomere, zu einem einzigen langkettigen Makromolekül, dem Polymer, verbinden. Anders als bei anderen Verknüpfungsreaktionen wird bei der Polymerisation kein Nebenprodukt abgespalten, alle Atome der eingesetzten Monomere finden sich im fertigen Polymer wieder.
Am häufigsten polymerisieren Monomere mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung, etwa Ethen, Propen oder Styrol. Während der Reaktion öffnet sich die Doppelbindung, und jedes Monomer verknüpft sich über eine neue Einfachbindung mit dem nächsten Monomer, sodass eine lange Kette aus Tausenden bis Millionen Wiederholungseinheiten entsteht.
Ein typischer Fehler ist, Polymerisation und Polykondensation gleichzusetzen. Bei der Polymerisation entsteht kein Nebenprodukt, bei der Polykondensation dagegen wird bei jeder Verknüpfung ein kleines Molekül wie Wasser abgespalten, deshalb unterscheiden sich beide Reaktionstypen grundlegend in ihrer Bilanz.
Die drei Phasen der radikalischen Polymerisation
Die technisch wichtigste Form ist die radikalische Polymerisation, sie läuft in drei Phasen ab. In der Startreaktion zerfällt ein Initiatormolekül, meist durch Erhitzen oder UV-Licht, in zwei sehr reaktionsfreudige Radikale. Ein Radikal ist ein Teilchen mit einem ungepaarten Elektron, das ein Radikal greift die Doppelbindung eines Monomers an und bildet dabei eine neue Bindung, wodurch ein neues, größeres Radikal entsteht.
In der anschließenden Wachstumsreaktion reagiert dieses Radikal immer wieder mit weiteren Monomeren, wobei die Kette Schritt für Schritt länger wird und das ungepaarte Elektron stets am Ende der wachsenden Kette bleibt. Diese Phase läuft sehr schnell ab und kann sich tausende Male wiederholen, bevor die Reaktion endet.
Die Reaktion endet in der Abbruchreaktion, wenn zwei radikalische Kettenenden aufeinandertreffen und sich zu einer stabilen Bindung verbinden, oder wenn ein Wasserstoffatom von einer Kette auf die andere übertragen wird. Ab diesem Zeitpunkt trägt die Kette kein ungepaartes Elektron mehr und wächst nicht weiter.
Beispiel: Polymerisation von Ethen zu Polyethen
Erkläre in eigenen Worten, wie aus vielen einzelnen Ethen-Molekülen das Polymer Polyethen entsteht.
Gegeben:
- Monomer: Ethen, CH2CH2
- Reaktionstyp: radikalische Polymerisation
Gesucht:
Ablauf der Umwandlung von Ethen zu PolyethenLösung:
- Startreaktion: Ein Initiator zerfällt in Radikale, ein Radikal greift die Doppelbindung eines Ethen-Moleküls an.
- Dabei öffnet sich die Doppelbindung, ein neues Radikal entsteht am Ende des ersten angehängten Ethen-Bausteins.
- Wachstumsreaktion: Dieses Radikal reagiert mit dem nächsten Ethen-Molekül, die Doppelbindung öffnet sich erneut, die Kette wächst um einen weiteren Baustein.
- Dieser Schritt wiederholt sich tausendfach, bis die Kette in der Abbruchreaktion mit einer anderen wachsenden Kette zusammentrifft und stabil verbunden wird.
Aus vielen einzelnen Ethen-Molekülen entsteht so eine lange Kette aus CH2-Gruppen, das Polymer Polyethen mit der vereinfachten Formel (CH2-CH2)n. Polyethen ist der mengenmäßig am häufigsten hergestellte Kunststoff der Welt und wird unter anderem für Folien, Flaschen und Rohre verwendet.
Polymerisation und Polykondensation im Vergleich
Neben der Polymerisation gibt es weitere Verfahren, um aus kleinen Molekülen ein Polymer aufzubauen, besonders wichtig ist dabei die Polykondensation. Beide Reaktionstypen führen zu langen Ketten, unterscheiden sich aber deutlich in den benötigten Monomeren und in der Reaktionsbilanz.
Bei der Polymerisation reagieren meist Monomere mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung, ohne dass dabei ein Nebenprodukt entsteht. Bei der Polykondensation reagieren dagegen Monomere mit mindestens zwei funktionellen Gruppen, etwa einer Säuregruppe und einer Alkoholgruppe, wobei bei jeder Verknüpfung ein kleines Molekül wie Wasser abgespalten wird.
Polymerisation
Wenn Monomere mit Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung vorliegen
Beispiele
- Ethen zu Polyethen
- Propen zu Polypropen
- Styrol zu Polystyrol
Signalwörter
- Doppelbindung im Monomer
- kein Nebenprodukt
- Initiator nötig
Polykondensation
Wenn Monomere mit zwei funktionellen Gruppen vorliegen
Beispiele
- Säure und Alkohol zu Polyester
- Diamine und Disäuren zu Polyamid (Nylon)
Signalwörter
- zwei funktionelle Gruppen
- Wasser wird abgespalten
- stufenweiser Aufbau
| Merkmal | Polymerisation | Polykondensation |
|---|---|---|
| Monomere | meist mit C-C-Doppelbindung | meist mit zwei funktionellen Gruppen |
| Nebenprodukt | keines | kleines Molekül wie Wasser |
| Beispiel | Polyethen aus Ethen | Polyester aus Säure und Alkohol |
Typische Fehler bei der Polymerisation
Ein häufiger Fehler ist, bei der Polymerisation ein Nebenprodukt zu vermuten, weil man sie mit der Polykondensation verwechselt. Bei der reinen Polymerisation gehen alle Atome der Monomere vollständig in das Polymer über, es entsteht kein Wasser oder ein anderes kleines Molekül als Nebenprodukt.
Ein zweiter Fehler ist zu glauben, jedes Polymer bestehe aus exakt gleich langen Ketten. Tatsächlich entstehen bei der radikalischen Polymerisation Ketten unterschiedlicher Länge, da Start und Abbruch der einzelnen Ketten zu zufällig unterschiedlichen Zeitpunkten stattfinden, deshalb spricht man von einer Molmassenverteilung statt von einer einheitlichen Kettenlänge.
Ein dritter Fehler ist, die Doppelbindung im Monomer für unverändert im Polymer zu halten. Tatsächlich öffnet sich die Doppelbindung während der Polymerisation vollständig, im fertigen Polymer liegen nur noch Einfachbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen der Hauptkette vor.
Alltagsbezug: Kunststoffe aus Polymerisation
Ein großer Teil der weltweit produzierten Kunststoffe entsteht durch Polymerisation. Polyethen wird für Tüten, Folien und Flaschen verwendet, Polypropen für stabilere Behälter und Textilfasern, und Polyvinylchlorid, kurz PVC, für Rohre und Bodenbeläge. Alle drei Kunststoffe entstehen aus einfachen Monomeren mit Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung.
Die Eigenschaften eines Polymers hängen stark von der Kettenlänge und der Anordnung der Ketten ab: Lange, wenig verzweigte Ketten wie bei HDPE, kurz für hochdichtes Polyethen, ergeben ein hartes, stabiles Material, während kurze, stark verzweigte Ketten wie bei LDPE ein weicheres, flexibleres Material ergeben. Beim Verarbeiten und Entsorgen von Kunststoffen im Labor oder zu Hause sollte man Reste nicht verbrennen, da beim Verbrennen von PVC giftige Chlorverbindungen entstehen können.
Jetzt bist du dran
Was kennzeichnet eine Polymerisation im Unterschied zu einer Polykondensation?
Noch nicht. Bei der Polymerisation verbinden sich Monomere ohne Abspaltung eines Nebenprodukts, alle Atome der Monomere finden sich im fertigen Polymer wieder.
Das Wichtigste in Kürze
- Polymerisation verknüpft viele Monomere mit Doppelbindung zu einem Polymer, ohne ein Nebenprodukt.
- Die radikalische Polymerisation läuft in Start-, Wachstums- und Abbruchreaktion ab.
- Anders als bei der Polykondensation entsteht bei der Polymerisation kein Wasser oder anderes Nebenprodukt.
- Wichtige Polymerisationsprodukte sind Polyethen, Polypropen und Polyvinylchlorid.
- Kettenlänge und Verzweigung eines Polymers bestimmen seine Härte und Flexibilität.
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Häufige Fragen zu Polymerisation einfach erklärt – Ablauf und Beispiele
- Was ist Polymerisation einfach erklärt?
- Polymerisation ist eine Reaktion, bei der sich viele kleine Monomere ohne Abspaltung eines Nebenprodukts zu einem langen Polymer verbinden. Meist besitzen die Monomere eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung, die sich während der Reaktion öffnet.
- Wie läuft die radikalische Polymerisation ab?
- Die radikalische Polymerisation läuft in drei Phasen ab: In der Startreaktion entstehen Radikale aus einem Initiator, in der Wachstumsreaktion verlängert sich die Kette Monomer für Monomer, und in der Abbruchreaktion treffen zwei Radikalketten aufeinander und stoppen das Wachstum.
- Was ist der Unterschied zwischen Polymerisation und Polykondensation?
- Bei der Polymerisation entsteht kein Nebenprodukt, alle Atome der Monomere gehen in das Polymer über. Bei der Polykondensation wird dagegen bei jeder Verknüpfung ein kleines Molekül wie Wasser abgespalten, dafür benötigen die Monomere mindestens zwei funktionelle Gruppen.
- Welche Kunststoffe entstehen durch Polymerisation?
- Zu den wichtigsten Polymerisationsprodukten gehören Polyethen aus Ethen, Polypropen aus Propen und Polyvinylchlorid, kurz PVC, aus Vinylchlorid. Alle drei Monomere besitzen eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung.
- Warum haben Polymere keine einheitliche Kettenlänge?
- Bei der radikalischen Polymerisation starten und enden einzelne Ketten zu zufällig unterschiedlichen Zeitpunkten. Dadurch entstehen Ketten unterschiedlicher Länge, man spricht von einer Molmassenverteilung statt von einer einheitlichen Kettenlänge.
- In welcher Klasse lernt man Polymerisation?
- Polymerisation wird in Deutschland meist in der Oberstufe, oft in der elften Klasse, im Rahmen der organischen Chemie und der Kunststoffchemie behandelt, aufbauend auf dem Wissen über Alkene und Doppelbindungen.
- Was ist ein Initiator bei der Polymerisation?
- Ein Initiator ist ein Molekül, das durch Erhitzen oder UV-Licht leicht in zwei Radikale zerfällt. Diese Radikale starten die Polymerisation, indem sie die Doppelbindung des ersten Monomers angreifen und die Kettenreaktion in Gang setzen.
- Warum ist Polyethen leichter zu recyceln als PET aus Polykondensation?
- Polyethen besteht aus einem reinen Kohlenwasserstoffgerüst ohne funktionelle Gruppen, die bei mechanischem Recycling stören könnten. PET aus Polykondensation enthält dagegen Estergruppen, die unter bestimmten Bedingungen wieder hydrolysieren können, was die Verarbeitung komplizierter macht.
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