kunststoffe trey, ma - uni-muenster.de · Kunsstoffklasse, der makromolekularen Struktur bis hin...

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Inhaltsverzeichnis

1. Grundsätzliches zur Unterrichtsreihe Kunststoffe 3

2. Übersicht über die Stundenplanung 4

3. Gliederung der Unterrichtsreihe

3.1 Alltagsbezug im Chemieunterricht (1.+ 2.Stunde) 5

3.1.1 Untersuchungen der Stoffeigenschaften (Stationenlernen) 6

3.1.2 Beschreibung der Stationen 10

3.1.3 Auswertung der Versuchsergebnisse 11

3.2 Elementaranalyse (3. Stunde) 13

3.3 Theoretische Betrachtungen zum Aufbau von Kunststoffen (4. Stunde) 15

3.3.1 Kunststoff-Synthesen 17

3.4 Zusammenfang (5.Stunde) 19

4. Laborgeräte und Chemikalien 19

5. Literaturverzeichnis 20

6. Foliensammlung (Unterricht) 21

7. Handout (Seminar) 25

8. Arbeitsblätter (Stationenlernen) 26

9. Arbeitsblatt (Hausaufgabe) 32

10. Tabellen (Stationenlernen) 33

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Westfälische Wilhelms-Universität Münster

FB 12: Institut für Didaktik der Chemie

Seminar: Schulorientiertes Experimentieren Dozent: Prof. Dr. Harsch Referenten: Christian Magin, Oliver Trey Wintersemester 2006/2007

Thema der Unterrichtsreihe:

Kunststoffe im Alltag 1. Grundsätzliches zur Unterrichtsreihe Kunststoffe

Kunststoffe gehören zu den am meisten benutzten Werkstoffen der modernen Chemie. Die

vielseitige Verwendung von Kunststoffen in unserem Alltag macht sie zu einem Bestandteil

unserer Kultur und Zivilisation und damit auch zum Gegenstand unserer Bildung. Ohne

Kunststoffe wäre die Entwicklung unserer Technik und unseres Lebensstandards nicht

denkbar. Aus diesem Grund ist das Verständnis der Eigenschaften von Kunststoffen, ihrer

Herstellung und Verwendungsmöglichkeiten und nicht zuletzt die Umweltverträglichkeit ein

wichtiger Bestandteil der Allgemeinbildung. Dieser Gegenstand sollte darum auch schon im

Chemieunterricht der Sekundarstufe I behandelt werden und nicht erst in der gymnasialen

Oberstufe. Die Schüler sollten einen ersten Bezug zu den Kunststoffen aus der Sicht des

Chemikers gewinnen und die grundsätzlichen Stoffeigenschaften, sowie die chemischen

Grundlagen dieser Eigenschaften kennenlernen.

Aus Gründen der komplexen Thematik einerseits und dem Bedürfnis dieses Thema totzdem

den Schülern der Mittelstufe zugänglich zu machen andererseits, wird kein besonderes

chemisches Vorwissen vorausgesetzt. Vielmehr soll durch die phänomenologische und

stoffliche Betrachtungsweise des ,,Phänomens Kunst-stoff” ein erster Einstieg in die

organische Kunststoffchemie erfolgen. Aus diesem Grund eignet sich diese Reihe für

praktisch jede Schulstufe der Mittelstufe. Bis auf ein paar elementare chemische Kenntnisse

(experimentelles Arbeiten im Labor und organische Chemie bzw. Elementaranalyse) wird

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nichts weiter an Vorwissen vorausgesetzt. Das Thema ,,Kunststoffe im Alltag” soll zunächst

im Hinblick auf den Werkstoff Kunststoff auf makroskopischer Ebene kennengelernt und

verstanden werden, ohne auf die organische Kunststoffchemie (Synthesemechanismen) im

Detail einzugehen. Die Schüler beschäftigen sich mit diesem Thema im Verlauf der

Unterrichtsreihe auf eine forschend-entwickelnde Weise und sollen immer mehr in die

chemischen Eigenarten der überaus komplexen und schwierigen Kunststoffchemie

eindringen. Durch selbsttätige experimentelle Untersuchungen am Anfang werden die

Schüler zunächst an die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Kunststoffe

herangeführt. Darauf aufbauend geht es über die Elementaranalyse (Lehrerversuch) zur

Fragestellung der stofflichen Zusammensetzung auf elementarer und molekularer Ebene. Es

werden dann der molekulare Aufbau erläutert und die Untersuchungsergebnisse betrachtet.

Das Prinzip der Kunststoffsynthese (Polymerisation) wird darauf aufbauend hergeleitet und

exemplarisch vorgestellt (Lehrerversuch).

Zum Abschluß soll nicht nur eine Wissensicherung erfolgen, sondern sich auch

weiterführende Betrachtungen im Hinblick auf Umweltschutz, Reycling, Kunststoffe aus

nachwachsenden Rohstoffen, Verwendungszwecke, usw. anschließen. ´

2. Übersicht über die Stundenplanung:

1.Stunde:

- Erarbeitung einer Mind-Map zum Thema Kunststoffe (OHP/Tafel)

- Vorstellung ausgewählter Kunststoffe des Alltags

- Beginn Stationenlernen

2.Stunde:

- Fortsetzung Stationenlernen

- Zusammentragung der Beobachtungen (Auswertung)

3.Stunde:

- Wiederholung der gewonnenen Erkenntnisse

- Elementaranalyse einer Kunststoffprobe (Lehrerversuch)

4.Stunde:

- Theoretische Betrachtungen zum Aufbau von Kunststoffen (Monomere �

Polymerisation)

- Einteilung der Kunststoffe

- Synthese von Kunststoffen (Lehrerversuch)

5.Stunde:

- Ergebnisse, Schlußfolgerungen, Wissenssicherung, Ausblick (Umweltschutz, Recycling)

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3. Gliederung der Unterrichtsreihe

3.1 Alltagsbezug im Chemieunterricht (1.+ 2.Stunde) Im ersten Schritt der Beschäftigung mit Kunststoffen sollen bekannte Eigenschaften,

Vorkommen und Verwendungszweck von Kunststoffen zunächst einmal gesammelt werden.

Hierzu wird in der Klasse mit einem Brainstorming eine Mind-Map erstellt. Es wird das

Vorwissen der Schüler zusammengetragen und gesammelt. Ein erster, oberflächlicher

Überblick über das komplexe Thema Kunsstoff und seinem Alltagsbezug wird angestrebt.

Die Schüler haben in der vorherigen Stunde die Aufgabe erhalten sich nach ihren

Möglichkeiten über Kunststoffe zu informieren und auch von Zuhause aus

Alltagsgegenstände aus Kunsstoff mit in den Unterricht zu bringen (Haushalt, Supermarkt).

Diese Gegenstände sollen dann in den ersten zwei Unterrichtsstunden in Schülerversuchen

gemeinsam im Labor chemisch-physikalisch untersucht werden. Aus methodischen

Erwägungen heraus sollen die Schüler von vornherein möglichst auf das Vorhandensein

eines Recycling-Symbols auf den Kunststoffen achten, mit dessen Hilfe die verschiedenen

Kunststoffarten identifizierbar sind.

Dieses Recyling-Symbol wird als Orientierungs- und Unterscheidungshilfe den

Erkenntnisweg bei der Erforschung der Kunststoffe in den ersten Unterrichtseinheiten

begleiten. Die Schüler werden im Vorfeld schon darauf hingewiesen, dass in diesem Symbol

die Zahlen von 1 bis 7 auftauchen können und sie auch möglichst verschiedene

Alltagsgegenstände mitbringen sollen.

Die Schüler sehen zunächst alle Alltagskunststoffe nach Nummern getrennt vor sich auf

einem Tisch (mit Schildchen!): . Die Kunststoffe werden dabei jeweils einer Ziffer

zugeteilt und die Vielfalt unterschiedlicher Gegenstände kennt nur ein

Gruppenzugehörigkeitskennzeichen: das identische Recycling-Symbol. Schon an dieser

Stelle wird deutlich, wie schwierig es ist Kunststoffe unterscheiden zu können. Weder die

Farbe, Größe, Form noch die Beschaffenheit ermöglichen die Unterscheidung der

Kunststoffklassen.

Im weiteren Verlauf der Unterrichtseinheit geht man von der Ziffer ausgehend über zur

Kunsstoffklasse, der makromolekularen Struktur bis hin zum Baustein (Monomer) und stellt

so den Bezug zwischen makroskopischer und mikroskopischer Wirklichkeit her

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(z.B. Ziffer 4 �

PE �

Polyethylen �

Ethen). Damit erhalten die Schüler auch einen

Leitfaden in die Hand gelegt, mit dem sie später in der Lage sein werden die

unterschiedlichsten Alltagsgegenstände anhand dieser Ziffern wieder zu erkennen und zu

identifizieren (didaktischer Aspekt). Die Verwendbarkeit des im Unterricht erarbeiteten

Wissens und Verständnisses im Alltag der Schüler wird angestrebt und soll die Motivation

der Schüler bei ihrer Forschungstätigkeit fördern. Außerdem wirkt die lineare Verknüpfung

wie ein Bezugsrahmen, an dem sich die Vielzahl der Wissensinhalte voneinander herleiten

lassen und damit ein kognitives Verständnis fördern.

Ohne besondere Erklärungen und Einweisungen durch den Lehrer, erhalten die Schüler dann

den Arbeitsauftrag sich in Schülerversuchen eigenständig mit den Kunststoffen, die sie

mitgebracht haben bzw. im Unterricht vorfinden werden, zu befassen.

3.1.1 Untersuchungen der Stoffeigenschaften von Kunststoffen (Stationenlernen)

Der Lehrer kann die folgenden sechs Schülerversuche anhand von OHP-Folien der gesamten

Klasse zunächst einmal kurz vorstellen und noch ergänzende Erklärungen abgeben. Das

empfiehlt sich besonders in Klassen mit wenig Erfahrung im Umgang mit Laborgeräten und

Chemikalien. Es kann jedoch auch gleich direkt zum praktischen Teil übergegangen und

später im Labor das eine oder andere noch ergänzend erklärt werden. Die Versuche sind so

einfach gestaltet und mit allen erforderlichen Anleitungen versehen, dass ein selbsttätiges

Arbeiten leicht gewährleistet ist.

Die Klasse wird in sechs Gruppen zu vier bis fünf Schüler aufgeteilt. Diese sechs Gruppen

durchlaufen abwechselnd die sechs Stationen im Labor, die jeweils an zwei Arbeitsplätzen

aufgebaut werden. Eine Pufferstation kann eventuell eingefügt werden (z.B. Schwedenrätsel

zu den Kunststoffen oder Allgemeine Chemie). Die Schüler sollen sich innerhalb ihrer

Gruppe arbeitsteilig organisieren und auch die einzelnen Tätigkeiten abwechseln (rotierende

Arbeitsteilung). Das selbsttätige Arbeiten und die Fähigkeit im Team zu arbeiten wird

angestrebt (Sozialkompetenz). So kann z.B. ein Schüler das Arbeitsblatt vorlesen

(Lesekompetenz), während zwei andere Schüler, den Versuch durchführen (manuelle

Tätigkeiten) und der letzte Schüler die Ergebnisse protokolliert (Schreibkompetenz). Jede

Gruppe wählt aus der Vielzahl der ausliegenden Kunststoffe jeweils acht Kunststoffproben

aus, die sie dann gemeinsam untersuchen sollen. Mindestens sechs Kunststoffproben müssen

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die Ziffern 1-6 jeweils einmal abgedeckt haben, die Kunststoffproben Nr. 7 und 8 stehen zur

freien Wahl.

Der Lehrer hat prinzipiell die Möglichkeit an dieser Stelle entweder vorhandene

Schulchemikalien (meist Kunststoffplättchen) oder eben Alltagsgegenstände aus Kunststoff

zu verwenden. Um einen stärkeren Alltagsbezug zum ,,Kunst-stoff” zu haben, kann bei

ausreichender Ausstattung auf ,,anonyme” Kunststoffproben aus Lehrmittelsammlungen

verzichtet werden. Die Schüler können so ,,ihren” mitgebrachten Kunststoff im Labor

bearbeiten und ,,besser kennenlernen” und ihrem natürlichen Forschergeist damit

nachgehen. Die Motivation sich mit dem Thema Kunststoff auseinander zu setzen wird so

entsprechend gefördert (sachbezogene Motivation).

Die Schüler sollen diese Proben nun im Labor chemisch untersuchen. Sie bekommen dazu je

Gruppe ein leeres tabellarisches Arbeitsblatt ausgehändigt (s. nächste Seite), in das sie die

Ergebnisse ihrer Untersuchungen eintragen sollen, sowie die sechs Arbeitsblätter zu jeder

Station mit den Versuchsvorschriften zur Durchführung der Schülerversuche, Abbildungen

bzw. Skizzen und allgemeinen Informationen (Lesetext). Die Schüler können sich die

Stationen frei auswählen, werden jedoch darauf hingewiesen, dass Station 1 und 2

hintereinander erfolgen müssen. An sechs unterschiedlichen Stationen sollen exemplarisch

ausgewählte chemische Untersuchungen ihrer acht Kunststoffproben durchgeführt werden

und die im Hinblick auf folgende stoffliche Eigenschaften gemachten Beobachtungen später

zusammen getragen werden:

Station 1: Schmelzbereich Station 2: Verschwelen Station 3: Verbrennen Station 4: Lösungsmittel Station 5: Dichtebestimmung Station 6: Bruchverhalten

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Die Aufgabe der Schüler besteht einmal darin, die stofflichen Eigenschaften aller acht

Proben zu ermitteln und andererseits auch zu erkennen, wie man diese Kunststoffe

unterscheiden kann. Es gibt bestimmte Eigenschaften, die es ermöglichen die Kunststoffe

voneinander abzugrenzen und damit zu identifizieren. Die Fragestellung bei der Auswertung

wird sein, anhand welcher Parameter es möglich ist diese Vielzahl an Stoffen voneinander

zu unterscheiden. Die Unterscheidungskriterien für die verschiedenen Kunststoffarten sind

folgende chemische Eigenschaften: das Verhalten beim Erhitzen (Schmelzen,

Verschwelen, Verbrennen), das Verhalten in Lösungsmitteln (Lösemittelbeständigkeit),

Dichte und Festigkeit (Bruchverhalten).

Die Schüler werden dazu aufgefordert bei diesen Schülerversuchen genau zu beobachten

und die feinen Unterschiede in der farblichen und geruchlichen Wahrnehnumg auszumachen

und so zu lernen zu differenzieren. Die Beobachtungen sind nämlich z.T. nicht so eindeutig,

wie es in manchen Lehrbüchern den Anschein hat. Alleine beim Schmelzbereich kann die

Streuung der Messwerte aus experimentellen Gründen (z.B. durch zu schnelles Erwärmen)

im Vergleich zur Literatur sehr groß sein. Außerdem können vorhandene Farbstoffe bzw.

andere Komponenten wie z.B. Weichmacher die Ergebnisse variieren lassen und darum ein

eher heterogenes Bild erzeugen. Damit sollen die Schüler aber auch lernen ihre

Beobachtungen zu differenzieren bzw. ihren Aussagegehalt zu relativieren. Das Arbeiten im

Labor bietet den Schülern allgemein die Möglichkeit experimentelle Grundfertigkeiten zu

erwerben bzw. auszuweiten. Wie verschiedene Studien belegt haben, ist der praktisch erlebte

Chemieunterricht für Schüler (und besonders Mädchen) sehr motivierend sich mit der

Chemie und dem Chemieunterricht weiter zu befassen.

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Arbeitsblatt: Eigenschaften von Kunststoffen

Nr. Kunststoff-Probe Schmelz-bereich(°C)

Lit. Dichte (Wasser) schwimmt?

Dichte (Kochsalz) schwimmt?

Dichte (Natrium-thiosulfat) schwimmt?

Lösemittel- beständigkeit Essigsäure-ethylester

Brennbarkeit Ja / Nein (Verbrennen)

Schwelprobe Reaktion der Dämpfe (Verschwelen)

Bruchverhalten

1 Bläschenfolie Polyethylen PE

PE

2 Kinderüberraschungsei grüne Verpackung Polypropylen PP

PP

3 Schlauch Plastikrohr Plastikvinylchlorid PVC

PVC

4 Nylonstrumpf Polyamid PA

PA

5 Joghurtbecher Polystyrol PS

PS

6 CD Scheibe Polycarbonat PC

PC

7 Zahnpastatube ??

8 Getränkeflasche PET

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3.1.2 Beschreibung der Stationen:

Schmelzbereich von Thermoplasten: Die Kunststoffproben werden in Reagenzgläsern in

einem Ölbad erhitzt bis sie anfangen zu schmelzen. Aufgrund der uneinheitlichen

Molekülgröße gibt es keinen definierten Schmelzpunkt, sondern einen Schmelzbereich.

Dabei spielt die Geschwindigkeit der Erwärmung mit eine Rolle. Erfolgt keine langsame

Erwärmung, dann fällt der Schmelzbereich versuchsbedingt höher aus, als er tatsächlich ist.

Verbrennen (Brennbarkeit): Durch die z.T. gesundheitsschädlichen Verbrennungsgase

erfolgen die Arbeiten unter dem Abzug. Die Kunststoffproben werden über einem

Bunsenbrenner verbrannt. Die Schüler sollen auf folgende mögliche Erscheinungen achten:

Entzündung, Brennen, Erlöschen außerhalb der Flamme, Weiterbrennen außerhalb der

Flamme, Abtropfen, Dämpfe, Rauchbildung, Rußbildung, Farbe der Flamme.

Verschwelen (Schwelprobe: Reaktion der Dämpfe) : Verschwelung ist das trockene Erhitzen

fester Stoffe, bei der (flüchtige) Zersetzungsprodukte entstehen. Meist entstehen

gesundheitsschädliche Schwelgase. Durch Indikatorpapier können saure oder alkalische

Eigenschaften dieser Reaktionsprodukte festgestellt werden.

Löseverhalten (Lösemittelbeständigkeit): Die Beständigkeit gegenüber verschiedenen

Lösemitteln bzw. Chemikalien wird hier anhand der oberflächlichen Behandlung mit

Essigsäureethylester exemplarisch untersucht. Alternativ wäre eine Behandlung mit Säuren

oder Laugen möglich.

Dichtebestimmung: Durch eine Schwimmprobe in Wasser und gesättigten Salzlösungen

unterschiedlicher Dichte (NaCl / Na2S203) wird die Zuteilung zu bestimmten Dichtegruppen

möglich. Beimischungen von Farbpigmenten und Füllmaterial können die Messergebnisse

jedoch verfälschen.

Bruchverhalten: Hier geht es weniger um die chemische Untersuchung als vielmehr darum

die Unterschiede bei der Werkstoffbearbeitung bzw. den physischen Eigenschaften vor

Augen zu führen und fühlbar zu machen.

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3.1.3 Auswertung der Versuchsergebnisse:

Welcher Kunststoff ist das? - Aus welcher Kunststoffart bestehen die Materialproben ?

Nach der Durchführung der Versuchsreihen werden die Ergebnisse aller 6 Gruppen vor der

gesamten Klasse gesammelt und besprochen. Die gemachten Beobachtungen und Daten

werden am Over-Head-Projektor zusammengetragen und in das leere Arbeitsblatt

übertragen. Auf diese Art werden die Informationen, die die einzelnen Schülergruppen

gewonnen haben der gesamten Klasse vor Augen geführt und das unterschiedliche und z.T.

auch widersprüchliche Verhalten der Kunststoffklassen deutlich. Bei der Besprechung und

Auswertung der Schülerversuche ergibt sich das heterogene Bild der Beobachtungen. Es

wird nun daraufhin untersucht, in wie weit es möglich ist die Kunststoffe zu differenzieren

und bestimmten Kunststoffklassen zu zu ordnen (s. untenstehende Tabelle mit gelben

Feldern).

Es gibt bestimmte Eigenschaften die es ermöglichen die unterschiedlichen Kunststoffproben

zu differenzieren. So zeigt Polyethylen (Nr.2 + Nr.4) einen kerzenwachsartigen Geruch

beim Verbrennen. Die Schwelproben bei PVC (Nr.3) und Polycarbonat (ohne Nr.) zeigen

saure Reaktionen, das Schwimmverhalten ermöglicht die weitere Differenzierung. Polyamid

(ohne Nr. ) zeigt eine alkalische Reaktion und den Geruch von verbranntem Haar. Polystyrol

(Nr. 6) schwimmt nicht in Wasser aber in den anderen Salzlösungen. Polypropylen (Nr. 5)

ist härter als Polyethylen. Es ist möglich Kunststoffe voneinander zu unterscheiden, aber es

ist nicht so leicht.

Bei der Besprechung der Beobachtungen bietet sich auch die Gelegenheit einen Bezug

zwischen dem chemischen Verhalten und den Verwendungszwecken im Alltag herzustellen.

So müssen Getränkeflaschen leicht und unzerbrechlich, außerdem auch noch gegen

bestimmte Flüssigkeiten beständig sein. Dass bestimmte Kunststoffe leichter als Wasser

sind, ist sowohl beim Wassersport wie bei der Trennung beim Recycling wichtig. Die

Tatsache, dass Kunststoffe brennbar sind erfordert auch im Haushalt und besonders in der

Küche Vorsicht (Herdplatte!). Die Übertragung experimentell gemachter Beobachtungen auf

Alltagssituationen vertieft das erworbene Wissen.

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Bruchverhalten


PE 120°C ! - schwimmt - bläulich gelb, tropfend, Kerzenwachsgeruch

neutral elastisch, biegsam


PP > 150°C - - schwimmt - brennend, gelbe Flamme, stark rußend, topfend

weißer Rauch, neutral

hart, zerbrechlich


PVC 100°C ! + schwerer + schwerer + schwerer + weich nicht weiter brennend, gelbe Flamme mit grünem Saum, weißer Rauch

sauer ! hart, zerbrechlich


PA > 150°C ! - schwimmt - ohne Flamme, Geruch von verbranntem Haar

alkalisch ! elastisch, unzerbrechlich


PS 130°C ! + schwerer - schwimmt - schwimmt + Wellung brennend, gelbe Flamme, stark rußend, topfend

weißer Rauch, Geruch wie Bastelladen, neutral

hart, zerbrechlich


PC > 150°C ! + schwerer + schwerer + schwerer + rauhe farblich

veränderte Oberfläche

brennend, gelbe Flamme, stark rußend, topfend

sauer ! hart, zerbrechlich

7 Zahnpastatube ?? ?? 120°C - schwimmt - weiter brennend, nicht rußend, weißer Rauch

weißer Rauch, neutral

hart, zerbrechlich

8 ???????????? ??

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Daran schließt sich die Einteilung der Kunststoffe in sechs Kunststoffklassen an (s. Folie 1,

Quelle: Kunststoffe im Alltag und im Unterricht, experimentelle Fortbildungsveranstaltung des

Chemielehrerfortbildungszentrums, Dortmund, März 2006 ). Von der Ziffer des Recycling-

Symbols gelangt man im nächsten Schritt zur Benennung der Kunststoffarten: PET,

Polyethylen (HD/LD), Polyvinylchlorid, Polypropylen und Polystyrol. Anhand

charakeristischer Materialeigenschaften erfolgt also vom Phänomen her die Unterscheidung der

vorliegenden Kunststoffe. Die Beschränkung auf nur wenige Kunststoffklassen und

Materialproben ist eine sinnvolle Maßnahme. Aufgrund der komplexen und vielschichtigen

Kunststoffchemie ist die didaktische Reduktion auf einige exemplarische Untersuchungen

unerläßlich.

3.2 Elementaranalyse: Woraus bestehen eigentlich Kunststoffe? (3. Stunde)

Nach der Untersuchung der chemischen Eigenschaften soll durch die qualitative

Elementaranalyse einer Kunststoffprobe die chemische Zusammensetzung eines einfachen

Kohlenwasserstoff-Kunststoffes ermittelt werden. Dieser vom Lehrer durchgeführte

Demonstrationsversuch soll auf die Frage aus welchen Elementen Kunststoffverbindungen

eigentlich bestehen eine Antwort bringen. Der Einfachheit halber werden nur polyethylen- bzw.

polypropylenhaltige Kunststoffe untersucht, um im ersten Schritt die einfache

Zusammensetzung der Kunststoffe aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen aufzuzeigen.

Die Schüler haben in ihren Versuchen bereits erkannt, dass sich Kunststoffe bei starkem

Erhitzen schwarz verfärben und manchmal auch Ruß entsteht. Außer der Rußbildung weisen

auch der Kerzenwachsgeruch und der Geruch nach verbranntem Haar auf organische

Substanzen hin und damit auf das Vorhandensein des Elementes Kohlenstoff. Außerdem

wissen sie vielleicht schon von der Verbrennung von organischen Substanzen, dass dabei die

Verbrennungsprodukte CO2 und H2O entstehen.

Versuchsapparatur der Elementaranalyse

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Die Versuch sieht die Verbrennung der Kunststoffprobe zusammen mit dem Oxidationsmittel

Kupfer(II)oxid in der oben stehenden Apparatur vor. Die bei der Verbrennung in der Apparatur

entstehenden Gase werden mit Kalkwasser und Cobaltchlorit-Papier genauer untersucht. Eine

zerriebene Kunststoffprobe wird in ein Porzellanschiffchen gegeben und mit schwarzem

Kupfer(II)oxid-Pulver vermischt. Diese Probe wird in ein Verbrennungsrohr geschoben und

dann erhitzt. Die Verwendung des Kupferoxids hat zwei Funktionen:

Zum einen ist es der Sauerstofflieferant für die Oxidation der Kunststoffe (Oxidationsmittel),

da nicht alle Kunststoffproben mit dem Luftsauerstoff reagieren und zum anderen dient es der

Vermeidung größerer Rußbildung und Geruchsbelästigung. Es bildet sich bei der Verbrennung

ein weißer Nebel und die entstehenden Gase werden mit Hilfe der Wasserstrahlpumpe durch

die gesamte Apparatur gesogen. Das Kalkwasser in der Gaswaschflasche trübt sich und die

Glaswände der gesamten Apparatur beschlagen (Kondenswasser).

Um den Nachweis für die Bildung von Wasser zu erbringen gibt es zwei unterschiedliche

Wege: Man kann ein U-Rohr zwischenschalten in dem sich wasserfreies, weißes Kupfersulfat

befindet bzw. ein einfaches Glasrohr verwenden, in das ein Stück wasserfreies Cobaltchlorid-

Papier hineingesteckt wird. In beiden Fällen sollte die Innenwand beschlagen (kondensierte

Flüssigkeit). Durch die Verfärbung der Nachweisreagenzien ist so der Nachweis für Wasser

möglich.

Die Kunststoffprobe zersetzt sich bei ihrer Verbrennung zu CO2 und H2O unter Reduktion von

Kupfer(II)oxid zu Kupfer und Kupfer(I)oxid. Der CO2 Nachweis wird in der Gaswaschflasche

unter Ausfällung von CaCO3 erbracht. Der Nachweis von H2O erfolgt mittels blauem

Cobaltchlorid-Papier, das sich rosa verfärbt. Die Redoxvorgänge im Porzellanschiffchen

werden dadurch deutlich, dass das schwarze Kupfer(II)oxid-Pulver durch Reduktion zu rotem

Kupfer bzw. rotbraunem Cu2O umgesetzt wird. Aus Gründen der Vollständigkeit sei erwähnt,

dass eine Blindprobe ohne Kunststoff im Anschluß daran durchzuführen wäre. Eine weitere

Ergänzung zu dieser Untersuchung wäre auch die Beilsteinprobe bei PVC und dem damit

verbundenen Nachweis von Chlor durch die grüne Flammenfärbung eines mit geschmolzenem

PVC überzogenen Kupferblechstreifens.

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3.3 Theoretische Betrachtungen zum Aufbau von Kunststoffen (4. Stunde)

Nach dem überwiegend praktischen Teil der ersten drei Stunden kommt in den letzten zwei

Unterrichtsstunden die theoretische Betrachtung der Kunststoffe hinzu. Die Schüler haben in

den vorangegangenen Stunden das breite Spektrum der unterschiedlichen physikalischen und

chemischen Eigenschaften von Kunststoffen im Schülerexperiment kennen gelernt und sind

mittels der Elementaranalyse im Lehrerexperiment mit den Hauptbestandteilen von

Kunstsoffen, die Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff, vertraut gemacht worden. In der

folgenden Unterrichtssequenz soll nun auf den allgemeinen mikroskopischen Aufbau auf

Molekülebene, sowie die daraus resultierenden makroskopischen Eigenschaften eingegangen

werden.

Das Vorliegen von Makromolekülen wird gesetzt. Der Begriff ,,Polymere” wird eingeführt. Sie

sind aus Monomeren, kleinen Struktureinheiten aufgebaut. Der Einfachheit halber und zum

besseren Verständnis der Schüler, wird dies am Beispiel der Polymerisation von Alkenen und

deren Derivaten erklärt. Diese Ausgangsstoffe werden unter Aufbrechen der Doppelbindung in

den einzelnen Molekülen zu theoretischen unendlich langen Molekülketten neu verknüpft. Auf

die Darstellung der zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen wie Startreaktion mit Hilfe von

Radikalen, Ionen u.A., sowie Kettenreaktion, Abbruchreaktion wird verzichtet. Auch andere

Synthesemechanismen, wie Polyaddition und Polykondensation, werden der Einfachheit halber

nicht erwähnt. Das Verständnis der Prinzipien soll durch diese didaktische Reduktion

erleichtert werden. Die fachlichen Einzelheiten der komplexen Kunststoffchemie werden

bewußt weg gelassen. Je nach Jahrgangsstufe und Vorbildung können diese Mechanismen aber

auch prinzipiell mit einbezogen bzw. später aufgeführt werden.

Es wird zunächst der einfachste Ausgangsstoff für die Synthese von Kunststoffen in Betracht

gezogen: Ethen. Durch Polymerisation entsteht hieraus Polyethylen. Der molekulare Aufbau

dieses Polymers wird vorgestellt und die Herstellung dieses Kunststoffes durch

Hintereinanderverknüpfung unzähliger Monomere verdeutlicht. Die Vielfalt der Kunststoffe

wird schnell ersichtlich, wenn durch partielle Substitution die Wasserstoff-Atome des Ethens

durch andere Gruppierungen ersetzt werden (s. Folie 2). Schon am Beispiel der Polymerisation

von Alkenderivaten ist aufgrund der schier unbegrenzten Möglichkeiten zum Einsatz

kommender unterschiedlicher Monomere und deren Gemischen, die resultierende Bandbreite

möglicher Kunststoffprodukte leicht ersichtlich.

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Der nächste Schritt zur Erläuterung der Stoffeigenschaften von Kunststoffen besteht darin, die

Wechselwirkungen innerhalb der Stoffe auf Molekülebene zu betrachten (s. Folie 3). Bei den

zuvor eingeführten Kunststoffen auf der Basis von Alkenderivaten, besteht das Produkt aus

langen, mehr oder weniger regelmäßig nebeneinander bis verknäuelt vorliegenden

Molekülketten, die über die schwachen Van-der-Waals-Kräfte zusammen gehalten werden.

Damit sind diese Ketten recht leicht gegeneinander verschiebbar. Die makroskopischen

Eigenschaften, wie Schmelzbarkeit, Elastizität, relative Weichheit usw., sind ersichtlich. Sind

die einzelnen Ketten dagegen über chemische Bindungen miteinander verknüpft und bilden ein

dreidimensionales, starres Netz, so ergeben sich andere mikroskopische Strukturen. Die daraus

resultierenden veränderten makroskopischen Eigenschaften wie: nicht verformbar, nicht

schmelzbar und stattdessen die Zersetzung bei höheren Temperaturen lassen sich so erklären.

Ganz allgemein wird die unendlich große Variabilität bei den Kunststoffen verständlich, wenn

man die vielfältigen Ausgangsstoffe und Verknüpfungsmöglichkeiten berücksichtigt.

Unterschiedliche Edukte (Monomere mit unterschiedlichen Substituenten), unterschiedliche

Polymerisationssequenzen und unterschiedliche Grade an dreidimensionaler Verzweigung

ergeben die unterschiedlichesten polymeren Strukturen und Kunststoffe. Der

Kunststoffchemiker ist in der Lage durch Ausnutzung dieser Faktoren gezielt Kunststoffe zu

kreieren.

Den Schülern soll die molekulare Ebene der Kunststoffe in ihren Prinzipien näher gebracht

werden, ohne auf die chemischen Reaktionstypen und Reaktionspartner einzugehen. Vielmehr

soll das Grundsätzliche verdeutlicht werden. Die Betrachtung linearer und verzweigter

Strukturen leitet dann über zu der Klassifizierung von Kunststoffen in Thermoplasten,

Duroplasten und Elastomere (s. Folie 4). Die Eigenschaften der Thermoplasten wurden in den

Schülerversuchen verdeutlicht. Die Erklärung für dieses chemische Verhalten erfolgt, wenn

man die fadenförmige Struktur der Polymere berücksichtigt.

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3.3.1 Kunststoff-Synthese

Um das hinter der Kunststoff-Synthese stehende Prinzip den Schülern näher zu bringen werden

vom Lehrer verschiedene Experimente durchgeführt, bei denen aus flüssigen, homogenen

Substanzen neuartige, polymere Stoffe entstehen. Es bietet sich hier an den Polyurethan-

Versuch und den Polyamid-Versuch vorzuführen. In beiden Fällen handelt es sich neben der

radikalischen Polymerisation von Polyethen um weitere Mechanismen der Polymerisation.

Der sehr einfache Versuch der Polyurethan-Synthese - als Beispiel für eine Polyaddition -

durch Zusammengießen von Desmophen (Di- oder Polyol) und Desmodur (Di- oder

Polyisocyanat) kann auch außerhalb des Abzugs durchgeführt werden und hat einen

spektakulären Effekt, da in wenigen Minuten aus sehr geringen Mengen (fingerbreite Schicht in

einem Plastikbecher) ein harter Schaumpilz entsteht. Dieser lufthaltiger Schaumstoff

(Wärmedämmstoff) kann aufgeschnitten werden und die lockere Innenstruktur nach dem

schnellen Aushärten aufgezeigt werden. Das Aufschäumen läßt sich auf die CO2-Entwicklung

in einer der Zwischenschritte der räumlichen Verkettungsreaktionen zurückführen, die aber

experimentell nicht so leicht nachweisbar ist.


Chemielehrerfortbildungszentrums, Dortmund, März 2006

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Ein anderer Versuch ist die Synthese eines Nylon-Fadens durch Polykondensation. Hierbei

werden zwei Flüssigkeiten vorsichtig übereinander geschichtet. An der Grenzfläche bildet sich

ein Grenzfilm aus Nylon, der mit einem Glasstab herausgezogen werden kann und so einen

Nylonfaden ergibt. An der Grenzfläche reagieren Adipinsäuredichlorid oder alternativ

Sebacinsäurechlorid und Diaminohexan zu einem Polyamid, das nach Entfernung aus der

Grenzfläche, durch neues nachgebildetes Amid ergänzt, einen langen Faden ergeben kann. Da

die Stoffe gesundheitsschädlich sind, ist aber das Arbeiten unter dem Abzug unerlässlich. In

einem möglichst breiten Glasgefäß (Wandberührung beim Fadenziehen vermeiden!) wird 1 g

Adipinsäuredichlorid in 25 ml Tetrachlormethan bzw. Heptan gelöst. Diese Lösung wird

vorsichtig mit einer Lösung von 1,5 g Hexamethylendiamin und 0,25 g Natriumcarbonat in 25

ml Wasser überschichtet. Der sich bildende Grenzflächenfilm wird als Faden auf einem

Glasstab aufgewickelt. Die bei dieser Polymerisation anfallende Salzsäure bzw.

Chlorwasserstoff wird in der alkalischen Na2CO3-Lösung neutralisiert. Es entsteht Nylon-6,6

(Adipinsäuredichlorid) bzw. Nylon-6,10 (Sebacinsäuredichlorid) als Polymer.



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3.4 Zusammenfang (5.Stunde)

In der letzten Stunde werden dann noch einmal alle Ergebnisse zusammengetragen und der

Überblick angestrebt (s. Arbeitsblatt im Anhang, Seite 32). Dieser Teil dient der

Wissenssicherung und soll den Erkenntnisweg noch einmal verdeutlichen: Von der Ziffer des

Recycling-Symbols gelangt man zum Kunststoffnamen und weiter zum Polymer-Monomer

Begriffspaar. Die theoretische Herleitung der Polymerisation und das Phänomen der

Kunststoff-Synthese runden das Bild schließlich ab. Vertiefende Betrachtungen zum

Umweltschutz, Recycling, Verwertung nachwachsender Rohstoffe bzw. die Abhängigkeit vom

Erdöl bieten sich weiter an.

Die Schüler haben erfahren, dass bei der Verbrennung von Kunststoffen übel riechende

Schadstoffe entstehen können. Die einfache Müllverbrennung kunststoffhaltiger

Haushaltsartikel (z.B. Verpackungsmaterialien) ist darum keine umweltschonende Lösung um

das Problem großer Müllberge an Kunststoffen zu beseitigen. Stattdessen bietet es sich an

durch das umweltschonende Recycling von Kunststoffen diesen Rohstoff wieder zu verwerten.

Mehr Umweltbewußtsein ist ein wünschenswertes Ziel dieser Unterrichtseinheit und des

Chemieunterrichts im Allgemeinen. Die Jugendlichen können ein neues Verständnis für ihre

Alltagswirklichkeit gewinnen und durch den Alltagsbezug des Chemieunterricht das im

Unterricht erarbeitete Wissen in ihrer Lebenswirklichkeit einbringen und anwenden.

4. Laborgeräte und Chemikalien:

Stationenlernen: Heizplatte, Stativ mit Muffen und Klemmen, 250ml Becherglas (Ölbad),

Silikonöl für Ölbad, Reagenzgläser, Thermometer, Tiegelzange, Bunsenbrenner, Metallplatte

als Unterlage, Plastikpipette, Essigsäureethylester, 3 Bechergläser (100ml), Natriumchlorid,

Natriumthiosulfat, Watte

Elementaranalyse:

Porzellanschiffchen, Reaktionsrohr, 1 Glasrohr oder alternativ U-Rohr mit 2 Stopfen,

Gaswaschflasche, Wasserstrahlpumpe und schwarzes Kupferoxid-Pulver, 200ml Kalkwasser,

wasserfreies Kupfersulfat bzw. blaues Kobaltdichlorid-Papier

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Polyurthan-Versuch: Desmodur + Desmophen

Nylon-Faden-Versuch: großes flaches Glas, 1g Adipinsäuredichlorid (flüssig) o.

Sebaninsäuredichlorid (Aufbewahrung im Kühlschrank), 25ml Tetrachlorethylen, 1,5 g

Hexamethylendiamin, 0,25g Natriumcarbonat

Nylonfaden-Versuch:

großes, flaches Becherglas, 1g Adipinsäuredichlorid, 25 ml Tetrachlormethan, 1,5 g

Hexamethylendiamin, 0,25 g Na2CO3.

5. Literaturverzeichnis

- Kunststoffe im Alltag und im Unterricht der Sekundarstufen I und II.

experimentelle Fortbildungsveranstaltung des Chemielehrerfortbildungszentrums

Dortmund, März 2006

- Chemie Heute Sek I. Schroedel Schulbuchverlag 1993 (S. 306-323)

- Chemie SII Stoff-Formel-Umwelt. Tausch, von Wachtendonk 1993 (S. 337-350) * GC 68

- Elemente Chemie II. Wolff, Ernst-Klett Schulbuchverlag 1993, 1. Auflage (S. 229-238) * GC 51

- Chemie für die Sekundarstufe II. Flörke (S. 243-260) * GC 59

- Lehrbuch der Chemie für Gymnasien. Lüdje Gall Reuber, Otto Salle Verlag (S. 360-374) * GC 20

* Lehrbuchsammlung

http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/plaste/index.html (© 2004 Dietmar Bach und Rüdiger Blume; 10.4.2007)

http://www.seilnacht.tuttlingen.com/ (Medien> Folien> Polymere und Kunststoffe) (Thomas Seilnacht, Rosenweg 7, CH-3007 Bern; 10.6.2007) http://www.seilnacht.com/Lexikon/polymere.html (Thomas Seilnacht, Rosenweg 7, CH-3007 Bern; 10.6.2007)

http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/kunststoffe/index.htm (Didaktik der Chemie an der FU Berlin, Institut für Chemie, Takustr. 3, 14195 Berlin; 10.6.2007)

http://www.leverkusen.bayer.de/index.cfm?PAGE_ID=504 (Copyright Bayer Industry Services GmbH & Co. OHG, Leverkusen; 10.6.2007) http://www.chemie.uni-dortmund.de/groups/melle/Links_Kunststoffe.html (Chemielehrerfortbildungszentrum DORTMUND, Universität Dortmund, Fachbereich Chemie, Otto-Hahn Str. 6, 44221 Dortmund; 10.6.2007)

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Folie 1



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Folie 2

Synthese von Kunststoffen

Kunststoffe bestehen aus Makromolekülen, die sich aus kleinen Bausteinen zusammensetzen, den Monomeren.

Quelle: http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/plaste/index.html

Aus der Vielzahl der einsetzbaren unterschiedlichen Monomeren ergibt sich die Vielzahl der Kunststoffe

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Folie 3

Aufbau der Kunststoffe Die Moleküle des Kunststoffes können auf verschiedene Weisen miteinander wechselwirken oder verbunden sein. Dies bestimmt die Eigenschaften des einzelnen Kunststoffes. Lange, verknäulte Ketten

Zusammenhalt der einzelnen Ketten über van-der-Waals-Kräfte. Eigenschaften: schmelzbar elastisch relativ weich Miteinander verknüpfte Ketten

Zusammenhalt der Ketten über chemische Bindungen. Eigenschaften: nicht schmelzbar; Zersetzung bei hohen Temperaturen nicht verformbar hart Durch Variation der Monomere lassen sich die Eigenschaften des Kunststoffes gezielt bestimmen.

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Folie 4

Aufgrund Ihrer Eigenschaften, die von dem mikroskopischen Aufbau bestimmt werden, werden Kunststoffe in drei Gruppen unterteilt:

Einteilung der Kunststoffe in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere

Quelle: http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/plaste/index.html

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Westfälische Wilhelms-Universität Münster FB 12: Institut für Didaktik der Chemie Seminar: Schulorientiertes Experimentieren Dozent: Prof. Dr. Harsch Referent: Christian Magin, Oliver Trey Wintersemester 2006/2007

Handout

Thema der Unterrichtsreihe:

Kunststoffe im Alltag Überblick: � Einführung � Stationenlernen (Schülerexperimente) � Elementaranalyse (Lehrer-Demonstrationsexperiment) � Synthese von Kunststoffen (Lehrer-Demonstrationsexperiment) � Aufbau der Kunststoffe � Einteilung der Kunststoffe Übersicht über die Stundenplanung: Ziel dieser Unterrichtsreihe ist es die Schüler durch selbsttätige experimentelle Untersuchungen von Kunststoffen an die chemischen Eigenschaften der Kunststoffe heran zu führen. - Die Kunststoffe sollen als Phänomen begriffen und als Werkstoff vorgestellt werden. - Die Schüler sollen lernen die verschiedenen Kunststoffarten experimentell zu unterscheiden. - Die Schüler bekommen die Aufgabe unbekannte Kunststoffproben zu identifizieren. - Die Schüler sollen die Vielseitigkeit der Kunststoffe kennen lernen und Kunststoffe einordnen. - Die Schüler sollen experimentelle Grundfertigkeiten erwerben. 1.Stunde Einstieg: Präsentation von Kunststoffen, Mind-Map (OHP / Tafel), Stationenlernen 2.Stunde Fortsetzung Stationenlernen und Zusammentragung der Beobachtungen (Auswertung) 3.Stunde Lehrerversuch Elementaranalyse 4.Stunde Synthese von Kunststoffen, Aufbau der Kunststoffe 5.Stunde Einteilung der Kunststoffe, Zusammentragen der Ergebnisse, Schlußfolgerungen, Ausblick Die Schüler untersuchen auf 6 Stationen folgende Eigenschaften verschiedener Kunststoffproben: - Station 1: Schmelzbereich von Thermoplasten - Station 2: Schwelprobe (Reaktion der Dämpfe) - Station 3: Brennbarkeit von Kunststoffen - Station 4: Lösungsmittelbeständigkeit - Station 5: Dichtebestimmung - Station 6: Bruchverhalten Nach der Untersuchung der chemischen Eigenschaften soll danach durch die qualitative Elementaranalyse einer Kunststoffprobe die chemische Zusammensetzung eines einfachen Kohlenwasserstoff-Kunststoffes erfolgen.

Im Anschluß daran werden die molekularen Strukturen, der grundsätzliche Aufbau der Kunststoffe und die Synthese in Grundzügen vorgestellt.

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SSttaattiioonn 11 Wir bestimmen den Schmelzbereich von Kunststoffen Viele Kunststoffe lassen sich in der Wärme leicht verformen. Sie sind thermoplastisch. Thermoplaste sind Kunststoffe, die durch Einwirkung von Wärme weich werden und sich dann verformen lassen. Nach dem Abkühlen erhärten sie zu einer neuen Form und behalten sie bei. Versuchsanleitung �

Geräte: Heizplatte (Magnetrührer), Magnetrührstäbchen, Stift, Becherglas (250 ml), Reagenzgläser, Schere, Thermometer (bis 150°C), Holzstäbchen, Schere, Schutzbrille �Chemikalien: Kunststoffproben

Durchführung: �

Schneide jeweils eine Kunststoffprobe mit einer kräftigen Schere in kleine Stücke (5 x 5 mm). �Gebe diese Stücke in jeweils ein Reagenzglas und beschrifte das Reagenzglas. �Ein Becherglas (250 ml) wird mit etwa 100 ml Silikonöl gefüllt und auf eine Heizplatte gestellt. �Stelle jedes Reagenzglas in das Ölbad. �Jetzt erwärme das Ölbad mit der Heizplatte und untersuche die Proben im Reagenzglas ab 90°C mit einem Holzstäbchen auf die Härte. Sobald die Kunststoffproben sich eindrücken lassen, ist der Schmelzbereich erreicht. Die Temperatur bei der der Kunststoff anfängt zu schmelzen liest du ab und trägst sie von jeder einzelnen Kunststoffprobe in die Tabelle ein. �Nach dem Abkühlen nimmst du alle Reagenzgläser aus dem Ölbad und stellst sie in den Reagenzglasständer für den nächsten Versuch: Verschwelungsversuch (Station 2).

Beobachtung: �

Was kannst du bei den einzelnen Kunststoffproben beobachten? Schreibe es auf. Trage deine Beobachtung in die Tabelle ein.

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SSttaattiioonn 22 Wir untersuchen die Kunststoffe beim Erhitzen (Verschwelung) Wenn man Kunststoffe trocken erhitzt entstehen flüchtige Zersetzungsprodukte. Dieses Verfahren nennt man Verschwelung. Dabei entstehen Schwelgase, die gesundheitlich bedenklich sein können. Aus diesem Grund sollen bei den Versuchen die Reagenzgläser durch Watte verschlossen werden um zu verhindern, dass die Dämpfe austreten können. Die Dämpfe werden dann auf ihre saure oder alkalische Reaktion untersucht. Versuchsanleitung: �

Geräte: Reagenzgläser, Reagenzglashalter, Gasbrenner, Watte, pH-Papier, Schutzbrille �Chemikalien: Kunststoffproben, dest. Wasser

Vorsicht Gasflamme Durchführung: �

Verwende die Reagenzgläser aus der Versuchsreihe von Station 1 mit den darin enthaltenen geschmolzenen Kunststoffproben. �Nimm einen 3 cm langen Streifen pH-Papier und befeuchte es an einem Ende mit ein paar Tropfen dest. Wasser. �Bilde einen Wattestopfen, der locker in die Reagenzglasöffnung passt und verschließe das Reagenzglas so, dass das Papier eingeklemmt wird. �Nun erhitze die Kunststoffprobe im Reagenzglas über der Gasbrenner-Flamme solange bis sich Dämpfe gebildet haben und das Reagenzglas gerade ausfüllen. �Der Inhalt der Reagenzgläser wird in den organischen Feststoffabfall-Behälter gegeben.

Beobachtung: �


pH 1-10

YP

EXRYP

EXR

YP

EXR

YP

EXR

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SSttaattiioonn 33 Wir untersuchen die Kunststoffe auf ihre Brennbarkeit Man kann manche unbekannte Kunststoffe bereits an ihrem Verhalten beim Entzünden unterscheiden. Alle Kunststoffe sind brennbar, zeigen aber unterschiedliche Erscheinungen. Wenn man sie vorsichtig erhitzt und verbrennt ist es möglich diese einzelnen Phänomene zu erkennen. Zu starkes Erhitzen führt zur schnellen Zerstörung des Kunststoffes. Bei der Beobachtung des Verbrennungsvorgangs kann man dies alles unterscheiden: Entzündung – Brennen – Erlöschen oder Weiterbrennen außerhalb der Flamme – Abtropfen – Dämpfe – Rauchbildung – Rußbildung – Farbe der Flamme.

Versuchsanleitung: �

Geräte: Gasbrenner, Tiegelzange, Stativ, Muffe und Klemme, Metallplatte, Schüssel mit Wasser, Schutzbrille �Chemikalien: Kunststoffproben

Vorsicht Gasflamme Arbeiten unter dem Abzug Durchführung: �

Um zu verhindern, dass die verbrennende Kunststoffprobe in den Gasbrenner tropft und ihn verschmutzt, wird der Gasbrenner mit Hilfe des Stativmaterials schief eingespannt. Da bei der Verbrennung gesundheitsschädliche Gase entstehen können, wird alles unter dem Abzug aufgebaut. Als Schutzunterlage wird eine Metallplatte unter den Brenner gelegt. �Dann hälst du ein kleines Stück Kunststoffprobe mit der Tiegelzange in die nicht leuchtende Flamme des Gasbrenners. �Falls die Probe brennt, nimmst du sie aus der Flamme, um festzustellen, ob das Material auch außerhalb der Flamme brennt. �Um die brennende Kunststoffprobe zu löschen tauche sie in eine mit Wasser gefüllte Schüssel und entsorgst die Reste dann im organischen Feststoffabfallbehälter.

Beobachtung: �


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SSttaattiioonn 44 Wir untersuchen das Verhalten der Kunststoffe gegenüber Lösungsmitteln Kunststoffe haben viele sehr praktische Eigenschaften. Sie gehören z.B. zu den leichtesten Werkstoffen und sind in den verschiedensten Lebensbereichen einsetzbar. Da sie mit vielen Chemikalien und Lösungsmitteln in Berührung kommen ist es wichtig, dass sie gegenüber diesen Stoffen beständig sind und sich nicht auflösen. Um die Kunststoffproben auf diese chemische Eigenschaft hin zu untersuchen und zu unterscheiden werden sie gegenüber einem bestimmten Lösemittel wie z.B. Essigsäureethylester geprüft (man kann die Kunststoffe auch auf Säuren oder Laugen hin testen).

Versuchsanleitung: �

Geräte: Tropfpipette, Spatel, Papiertuch, Schutzbrille �Chemikalien: Essigsäureethylester

Durchführung: �

Man gibt einen Tropfen des Lösemittels auf jeweils eine Kunststoffprobe und läßt die Flüssigkeit 60 Sekunden einwirken. �Dann wischt man den Rest des Lösemittels mit einem Papiertuch ab und untersucht die Oberfläche der Probe mit einem Spatel.

Beobachtung: �


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SSttaattiioonn 55 Wir bestimmen die Dichte der Kunststoffproben Eine weitere spezifische Kenngröße von Stoffen ist ihre Dichte. Man kann die Kunststoffproben aufgrund der Dichte in unterschiedliche Dichtegruppen einteilen und dadurch unterscheiden. Eine einfache Untersuchung macht man durch eine Schwimmprobe in Lösungen unterschiedlicher Dichte. Wasser hat eine Dichte von 1 g/cm3 und alle Stoffe, die auf Wasser schwimmen, haben eine Dichte, die kleiner ist als 1 g/cm3. Man kann die Dichte des Wassers dadurch erhöhen, dass man nach und nach Kochsalz, oder andere lösliche Stoffe hinzugibt. So hat eine Kochsalzlösung einer bestimmten Konzentration z.B. eine Dichte von 1,17 g/cm3 und eine Natriumthiosulfatlösung einer bestimmten Konzentration eine Dichte von 1,37 g/cm3. Man kann also die verschiedenen Kunststoffproben dadurch unterscheiden, dass man sie auf ihre Schwimmeigenschaft hin untersucht. Versuchsanleitung: �

Geräte: Glasschalen, 3 Bechergläser (100 ml) mit den vorbereiteten Lösungen, Schere �Chemikalien: 50 ml Wasser 50 ml Kochsalzlösung (10 g Natriumchlorid und 50 ml Wasser ) 50 ml Natriumthiosulfatlösung (20 g Natriumthiosulfat und 50 ml Wasser)

Durchführung: �

Die 3 Becherngläser werden mit den 3 verschiedenen Lösung unterschiedlicher Dichte gefüllt. �Dann schneidest du kleine, gleich große Stückchen der Kunststoffproben aus und gibst sie zunächst in das Becherglas mit dem Wasser. �Falls die Probe untergeht, trockne sie ab und gebe sie in die Kochsalzlösung. �Falls die Probe auch hier untergeht, spüle die Probe kurz unter fließendem Wasser ab, trockne sie wieder ab und gebe sie schließlich in die Natriumthiosulfatlösung. �Achte vor allem darauf, dass keine Luftblasen an den Probestücken haften.

Wasser Kochsalz-Lösung Natriumthiosulfat-Lösung Beobachtung: �


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SSttaattiioonn 66 Wir bestimmen das Bruchverhalten der Kunststoffproben Kunststoffe können weich, biegsam, elastisch, starr, hart oder spröde sein. Für manche Verwendungszwecke braucht man Kunststoffe mit besonderen mechanischen Eigenschaften und in anderen Fällen ist es notwendig, dass man die Kunststoff-Produkte nachträglich noch bearbeiten kann, z.B. durch Sägen, Feilen, Raspeln oder Bohren. Es gibt Kunststoffe, die werden bei ihrer Herstellung gleich in die endgültige Form gebracht und brauchen nicht mehr weiter bearbeitet zu werden, während andere Produkte bis zum Endzustand noch verschiedene Verarbeitungsprozesse durchlaufen müssen. �

Geräte: Kneifzange, Kombizange, Teppichmesser �Chemikalien: Kunststoffproben

Durchführung: �

Versuche einmal die Kunststoffproben mehrfach mit der Kneifzange zu knicken, zu zerreissen oder mit dem Teppichmesser zu zerschneiden.

Beobachtung: �


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AArrbbeeiittssbbllaatttt:: 1. Nenne mindestens 4 Verwendungsmöglichkeiten von Kunststoffen: 2. Kunststoffe lassen sich in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere einteilen. Wie ist die Struktur der Riesenmoleküle und welche Eigenschaften haben diese Stoffe? A) Thermoplaste Die Riesenmoleküle sind

Die Riesenmoleküle sind

Die Riesenmoleküle sind

3. Kunststoffe bestehen aus langen Makromolekülen. Was versteht man unter Polymerisation? 4. Wie verhalten sich Kunststoffe in der Flamme? Kunststoff Verhalten in der Flamme Polyethen (PE) Polypropen (PP)

Polystyrol (PS)

Polyvinylchlorid (PVC)

Polyamid (PA)

5. Was muss ich bei der Verwendung von Kunststoffe beachten? Was kann Kunststoffe zerstören?

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Bruchverhalten


PE


PP


PVC


PA


PS


PC

7 Zahnpastatube ??


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Bruchverhalten


PE


PP


PVC


PA


PS


PC

7 Zahnpastatube ??


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Date post:	19-Aug-2019
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