Graz

Lektion 1: Was sind überhaupt Polymere?

Im folgenden Text erhältst du einen kurzen Überblick über grundlegende Begriffe zum Thema. Außerdem kannst du dir am Ende der Seite Steckbriefe von vier häufig verwendeten Polymeren ansehen, wo die wichtigsten Informationen zum jeweiligen Stoff kurz zusammengefasst sind. Du wirst im Laufe der nächsten Kapitel zusätzlich noch weitere Polymere kennenlernen.

Grundlegende Begriffe

Um über Polymere reden zu können, müssen wir wissen, was wir damit überhaupt meinen. Hier hilft es, das Wort an sich genauer zu betrachten. „Polymer“ kommt aus dem Griechischen. „poly“ bedeutet „viele“, „mer“ bedeutet „Teil“. Einfach gesagt ist ein Polymer somit ein Molekül, das aus vielen Teilen besteht. Solche Moleküle können sehr groß werden, weswegen sie auch Makromoleküle genannt werden.1 Den oder die (können auch mehrere sein) Ausgangsstoffe für ein Polymer nennt man Monomer. Mehrere Monomere reagieren also zu einem großen Molekül. Dabei laufen dieselben Reaktionen immer wieder ab. Die erste Reaktion verbindet zwei Monomere miteinander, durch die zweite Reaktion kommt noch ein drittes hinzu, durch die nächste Reaktion sind schon vier Monomere miteinander verbunden usw…. Insgesamt nennt man diese Reaktionen Polyreaktionen. Mehr zu diesem Thema erfährst du in Lektion 2.

Ein Polymer besteht aus mehreren (oft mehreren Tausend) Grundbausteinen. Achtung! Zwischen Grundbaustein und Monomer gibt es einen Unterschied, wie das Beispiel Polyvinylchlorid, besser bekannt unter der Abkürzung PVC, zeigt. Wenn du unten zum Steckbrief dieses Polymers springst, wirst du sehen, dass im Monomer noch eine Doppelbindung vorliegt, im Grundbaustein aber nicht mehr. Dies kommt dadurch zustande, dass die zweite Bindung aufgespalten wird, damit ein Monomer mit einem anderen reagieren kann. Darüber hinaus gibt es noch den Begriff der Wiederholeinheit, der wiederum von den beiden Begriffen zuvor unterschieden werden muss. Dies bezeichnet nämlich die kleinste sich wiederholende Einheit des Polymers. So kann eine Wiederholeinheit auch aus zwei Grundbausteinen bestehen. 2

Falls das Molekül nicht aus vielen Tausend, sondern nur aus einigen 100 bis wenigen 1000 Wiederholeinheiten besteht, so spricht man von einem Oligomer. Die Grenze zwischen diesen beiden Begriffen ist nicht sonderlich scharf, eine mögliche Definition lautet: Oligomere bestehen aus so wenigen Molekülen, dass die Wegnahme oder Zugabe von einer Wiederholeinheit die Eigenschaften des Moleküls noch signifikant verändert.3 Bei Polymeren ist dies nicht der Fall. Sie bestehen aus einer so großen Menge an Wiederholeinheiten, dass man bei der Wegnahme von einer solchen Einheit keine Veränderung bezüglich der Eigenschaften merkt. 

Würde man von einem solchen Riesenmolekül die gesamte Strukturformel aufzeichnen wollen, wäre man vermutlich mehrere Stunden beschäftigt, deswegen helfen wir uns bei der Notation mit eckigen Klammern, die wir um einen Wiederholeinheit hinzeichnen. Dazu schreiben wir eine Zahl, die anzeigt, wie oft dieser Wiederholeinheit vorliegt, wir müssen sie aber nur einmal hinzeichnen. Zum Beispiel bedeutet

das Gleiche wie

Diese „Polymerklammer“ erleichtert unsere Arbeit also ungemein, wie du auch bei folgendem Übungsbeispiel sehen kannst:

Ein Polymer kann entweder nur aus einer einzigen Monomersorte bestehen, sogenannte Homopolymere, oder aus mehreren verschiedenen Monomeren, welche dann Copolymere genannt werden.4

Obwohl Polymere immer aus denselben Monomeren bestehen, gibt es unzählige Möglichkeiten, diese unterschiedlich anzuordnen. Die genaue Struktur beeinflusst in weiterer Folge die Eigenschaften des Polymers, also wird versucht, die Struktur möglichst gezielt zu steuern. Dieser Vorgang wird auch Polymerarchitektur genannt. Hier sind etwa lineare oder verzweigte Polymere möglich. Speziell für Copolymere ist zudem interessant, wie die einzelnen Monomere untereinander angeordnet. Hier gibt es folgende Möglichkeiten (es wird hier angenommen, dass das Polymer aus zwei verschiedenen Monomeren A und B aufgebaut wird):

  • alternierende Copolymere: beide Monomere liegen jeweils abwechselnd vor. A – B – A – B – A – B – A – B –
  • statistische Copolymere: zwei Monomerarten reagieren zufällig miteinander: A – A – B – A – A – B – A – B – A – B – B – B – A –
  • Blockcopolymere: Es bilden sich jeweils größere Blöcke, die nur eine Monomerart beinhalten: A – A – A – A – B – B – B – B – A – A – A – A – B – B – B – B –
  • Pfropfcopolymere: Diese verzweigten Polymere bestehen aus einer Hauptkette, die nur aus Einheiten des einen Monomers aufgebaut ist, während in den Seitenketten nur Einheiten des anderen Polymers vorkommen. 5

Zum Abschluss soll noch ein Begriff geklärt werden, der in den folgenden Lektionen einige Male verwendet wird: Was steckt eigentlich hinter dem Wort Kunststoff? Auch hier gibt es keine eindeutige Definition. Während einige Lehrbücher die Begriffe Kunststoff und Polymer gleichsetzen6, wird in anderen Lehrbüchern differenziert. Hier kann man sich mit folgender Analogie helfen: Polymere sind die Zutaten, Kunststoffe sind das fertige Gericht. Kunststoffe sind entweder reine Polymere (genauso wie man auch einfach z.B.: Tomaten essen kann. Sie sind die einzige Zutat und gleichzeitig das Gericht), Gemische verschiedener Polymere oder Polymere mit Zusatzstoffen (um die Eigenschaften des Stoffes zu verbessern, z.B.: Antioxidantien, Weichmacher usw…).7 Ein weiterer Begriff, der auch in dem Medien sehr häufig verwendet wird, ist Plastik. Dies ist aber einfach nur ein umgangssprachlicher Ausdruck für Kunststoffe.

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Hier hast du in kurzer Zeit einige Begriffe kennengelernt. Die folgenden Übung soll dir helfen, dir nochmal zu verinnerlichen, was hinter den einzelnen Bezeichnungen steckt.

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Steckbriefe häufig verwendeter Polymere

Folgende vier Polynome zählen zu den weltweit am meisten verwendeten Makromolekülen. Durch einen Klick auf den Button erfährst du, aus welchem Monomer sie aufgebaut sind, welche Wiederholeinheit sie haben und welche Eigenschaften typisch für sie sind. Außerdem werden konkrete Beispiele aufgezählt, wofür sie verwendet werden. Sieh dich mal bewusst in deinem Haushalt um und mach dich auf die Suche nach diesen Polymeren! Ziemlich sicher findest du für jedes der folgenden Beispiele einen Gegenstand, der aus diesem Polymere besteht. Bei mir hat es nicht mal eine Minute gedauert, Vertreter aller vier Polymere zu finden. Diese Fotos sind auch beim Steckbrief dabei.

Falls du dich selbst erkunden willst, welche Kunststoffe du wo verwendest, musst du auf die speziellen Kennzeichnungen achten, die auf den meisten Kunststoffprodukten zu finden ist. Ein Beispiel dafür ist am folgenden Bild zu sehen.

Diese spezielle Verpackung besteht z.B.: aus „High-Density Polyethylen“ (abgekürzt HDPE), einer speziellen Art von Polyethylen.

Nachdem du dir alle Steckbriefe angesehen hast, kannst du auch einfach folgendes Memory lösen. Dabei gehört immer der vollständige Name eines Polymers zur Strukturformel von dessen Wiederholeinheit. Die Abkürzung des Polymers gehört zur Strukturformel des Monomers, aus dem das Polymer aufgebaut ist. Viel Spaß!

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Das war’s mit Lektion 1. Falls dich interessiert, wie Polymere erzeugt werden, sieh dir gleich Lektion 2 an!

Quellen:

[1] Ritter, H. (2018). Makromoleküle I. Von einfachen Chemierohstoffen zu Hochleistungspolymeren. Berlin, Springer Spektrum. (Seite 11)

[2] Lechner, M.D., Gehrke, K., Nordmeier, E.H. (2010). Makromolekulare Chemie. Ein Lehrbuch für Chemiker, Physiker, Materialwissenschaftler und Verfahrenstechniker. Basel: Birkhäuser Verlag. (Seite 2)

[3] https://goldbook.iupac.org/terms/view/O04286 (zuletzt abgerufen am 16.04.2021)

[4] Koltzenburg, S., Maskos, M., Nuyken, O. (2014). Polymere. Synthese, Eigenschaften & Anwendungen. Berlin, Heidelberg: Springer Verlag. (Seite 8)

[5] Ritter, H. (2018). Makromoleküle I. Von einfachen Chemierohstoffen zu Hochleistungspolymeren. Berlin, Springer Spektrum. (Seite 19)

[6] Eyerer, P. (2012). Einführung in Polymer Engineering. In P. Elsner, P. Eyerer, T. Hirth (Hrsg.), Kunststoffe. Eigenschaften und Anwendungen (S. 1-114) . Heidelberg: Springer Verlag (Seite 1)

[7] Ritter, H. (2018). Makromoleküle I. Von einfachen Chemierohstoffen zu Hochleistungspolymeren. Berlin, Springer Spektrum. (Seite 9)