Polymer

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Polymere stellen einen chemischen Stoff dar, der sich aus Makromolekülen zusammensetzt. 

Makromoleküle werden auch Riesenmoleküle genannt, da sie sehr groß sind. Sie sind aus einer oder auch mehreren Struktureinheiten aufgebaut. 


Das Wort Polymer kommt aus dem altgriechischen. Es setzt sich zusammen aus dem Wort Poly, welches mit viel übersetzt wird und aus dem Wort Meros, welches Teil bedeutet. 


Polymere können synthetisch, halbsynthetisch oder natürlich sein. Sie sind der Grundbaustein für die Herstellung von Kunststoffen. Wenn sie nicht auf eine synthetische Art und Weise erzeugt wurden, sondern natürlich sind werden sie Biopolymere genannt. In dem Fall wurden sie von Lebewesen erzeugt und spielen eine essentielle Rolle für diese. 





Eigenschaften von Polymeren


Da Polymere lediglich eine Übergruppe darstellen und die Untergruppen die verschiedenen Kunststoffe sind, können pauschal keine konkreten Merkmale den Polymeren an sich zugeordnet werden. Es gibt jedoch Eigenschaften, die bei allen Polymer-Gruppen gleich sind:


Thermische Eigenschaften

Schauen wir uns einmal die thermischen Eigenschaften von Polymeren, also das Bewegungsverhalten der Atome beziehungsweise der Moleküle, an. Wird einem Polymer Wärme ausgesetzt, beginnt es sich auszudehnen. Dadurch nimmt sein Volumen zu. Da sich dadurch der Raum verändert in dem die Moleküle liegen, verändert sich auch ihre Beweglichkeit. In diesem Fall steigt die Beweglichkeit bei zunehmenden Volumen, da somit mehr Raum entsteht. Aufgrund der Erwärmung kann es passieren, dass die Moleküle sich nicht nur bewegen, sondern ihre Lage komplett verändern. In Folge dessen verliert der Werkstoff seine Funktionstüchtigkeit. 


Festigkeit und Form von Polymeren

Der optische Effekt des Ganzen, also das was du wahrnehmen kannst ist, dass der Kunststoff weich und flexibel wird. Er verliert also seine Formbeständigkeit. Dahingegen ist er, wie du dir wahrscheinlich schon gedacht hast, im kalten Zustand fest und spröde. Deshalb sind die Temperaturangaben für die einzelnen Kunststoffe, also ab wann sie sich verformen, sowohl für die Hersteller als auch für zum Beispiel Lieferanten von großer Bedeutung. 


Werden sie falsch gelagert oder transportiert kann es passieren, dass der Kunststoff seine Form verändert und dadurch seinen Nutzen verliert. Außerdem ist es wichtig die Temperatur zu kennen, damit der Kunststoff einem Anwendungsgebiet beziehungsweise Einsatzbereichs zugeordnet werden kann. Denn bei unterschiedlicher Temperatur und dem dadurch einhergehenden Bewegungsverhalten der Polymere, sind sie nicht alle für das gleiche einsetzbar. 



Klassifizierungen der Polymere


Da Polymere eine Übergruppe bilden, lassen sie sich in viele verschiedene Klassifikationen einteilen. Grenzt man das Ganze lediglich auf die physikochemischen Eigenschaften ein, bleiben einem drei Klassifizierungen:


Thermoplasten


Die Thermoplasten gehören zu den Materialien, welche bei steigender Temperatur weich werden, jedoch bei sinkender Temperatur auch wieder auskühlen.


Beispiele für Thermoplasten:


  • PolyvinylchloridPolyurethan



Duroplasten / Duromere


Dahingegen können die Duroplasten nicht mehr weich werden, nachdem sie einmal in Form gebracht wurden. Sie bleiben danach in einem harten Zustand.



Elastomere


Elastomere unterscheiden sich komplett von den ersten beiden. Sie können in die gewünschte Form gestreckt oder gestaucht werden. Wenn die einwirkende Kraft jedoch aufhört, nehmen sie wieder ihre ursprüngliche Form an. Des Weiteren kann zwischen der Klassifizierung natürlicher und synthetischer Polymere unterschieden werden. Auf jene wird im Laufe des Artikels jedoch noch einmal näher eingegangen. Auch wenn es zu den Rohstoffen zur Herstellung von Polymeren kommt, kann man zwischen zwei Quellen unterscheiden. Zum einen gibt es die nachwachsenden Quellen in Form von pflanzlicher oder tierischer Herkunft, aber auch die fossilen Quellen beziehungsweise nicht nachwachsenden Quellen. In diese Kategorie fallen Öl, Erdgas und Kohle. Nach dem Gebrauch von Kunststoff, muss dieser wieder verwertet werden. 


In diesem Fall wird zwischen den biologisch abbaubaren und den nicht biologisch abbaubaren unterschieden. Cellulose, Stärke oder Polymilchsäure fallen dabei in die erste Kategorie, während Polyethylen, Polypropylen und Polystyrol nicht biologisch abbaubar sind.




Synthetische Polymere


Wie bereits erwähnt, lassen sich Polymere zwischen den synthetischen und den natürlichen unterscheiden. 

Werfen wir einen näheren Blick auf die synthetischen. Diese werden industriell oder in einem Labor hergestellt. 


In diese Kategorie fallen:


Polyethylen,

Polystyrol (welches aus dem Monomer Styrol gewonnen wird)

→ und Polyvinylchloride.


Falls du gerne mehr über diese erfahren willst, ließ dir gerne unsere anderen Artikel darüber durch. Diese drei Polymerarten werden durch die Verarbeitung von Biopolymeren gewonnen. Die Weiterverarbeitung findet durch sogenannte Polyreaktionen statt.


Polymerisation


Zum einen gibt es die Polymerisation, bei diesem Vorgang findet eine Kettenreaktion statt. Dabei gliedern sich gleiche oder unterschiedliche Monomere an eine immer größer werdende Polymerkette an.


Polykondensation


Eine weitere Möglichkeit ist die Polykondensation. Wie der Name schon sagt, findet das Verfahren durch eine Kondensation statt. Auf diese Weise, werden die Monomere, also die Biopolymere in Polymere und damit Kunststoff umgewandelt.


Beispiel für ein Polymer, das durch Polykondensation hergestellt wird:


Polyethylenterephthalat


Polyaddition


Die dritte Möglichkeit besteht in der Polyaddition. Durch einzelne voneinander unabhängige Additionsreaktionen werden Polymere gebildet. Dieser Vorgang ist jedoch nur für Moleküle möglich, die einen niedrigen Polymerisationsgrad aufweisen. Darunter fallen beispielsweise Dimere und Trimere. Dimere sind Moleküle, die aus in der Regel zwei identischen Monomeren bestehen. Demnach sind Trimere Moleküle, welche sich aus drei identischen Monomeren zusammensetzen.




Natürliche Polymere


Wenn es zu den natürlichen Polymeren kommt, werden diese in Lebewesen gebildet. Sie bilden den Grundbaustein eines Organismus. Zu einem natürlichen Polymer, gehört zum Beispiel das Protein. Sie ermöglichen beispielsweise Zellbewegungen. 


Noch viel wichtiger ist jedoch, dass unsere Muskeln, Herz, Hirn, Haut und Haare überwiegend aus Proteinen bestehen. Da gerade das Herz und unser Gehirn die lebenswichtigsten Eigenschaften unseres Körpers ist, wisst ihr nun auch wieso Biopolymere als Grundbaustein für Organismen bezeichnet werden. 


Ebenfalls gehören zu den Biopolymeren die Polysaccharide. Diese sind Kohlenhydrate und ebenfalls äußerst wichtig für Organismen. Sie dienen nämlich nicht nur als Nährstoff oder auch Reserve für Energie, sondern sie sind auch essentiell wichtig für pflanzliche Zellwände. Diese bestehen nämlich zu 50 % aus einer Untergruppe der Polysaccharide und zwar der Cellulose. Ohne diese, wäre eine Pflanze nicht dazu in der Lage zu wachsen und größer zu werden oder überhaupt zu existieren. 



Kunststoffrecycling


Kunststoffrecycling gewinnt immer mehr an Relevanz: der Umweltaspekt nimmt in unserer heutigen Gesellschaft eine zunehmend wichtig werdende Rolle ein. Dementsprechend ist ein verantwortungsbewusster Umgang mit Ressourcen sehr wichtig und man sollte bei der Herstellung von Kunststoffen auch ebenfalls immer überlegen, ob man auch recycelte Materialien verwenden kann oder das herzustellende Polymer im Anschluss wieder recyclen kann, sodass die Ressourcenverwendung insgesamt ein Kreislauf ist und möglichst wenig im Müll landen soll.






Polymer - Alles Wissenswerte auf einen Blick


  • Polymere setzen sich aus Makromolekülen zusammen und sind die Übergruppen von verschiedenen Kunststoffarten.

  • Polymere existieren in synthetischer und natürlicher Form. Kunststoff hat die Eigenschaft, dass es sich abhängig von der Wärme in seiner Form verändern kann.

  • Für die Herstellung von synthetischen Polymeren, werden Biopolymere durch unterschiedliche Vorgänge verarbeitet. Die natürlichen Polymere, können nur von Organismen hergestellt werden und spielen für diese eine existenziell wichtige Rolle.

  • Außerdem kann zwischen den Polymerarten Thermoplast, Duromer und Elastomer unterschieden werden.

Sehr gut! Du hast bis zum Ende durchgehalten und bist jetzt bestens vorbereitet. Wir hoffen, dass wir deine Fragen klären konnten und du jetzt anderen erklären kannst, was ein Polymer ist. Weiter so!



 

Finales Polymer Quiz

Frage

Nenne die drei wichtigsten Synthesemechanismen von Kunststoffen.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Radikalische Polymerisation
  • Polykondensation
  • Polyaddition
Frage anzeigen

Frage

Nenne die vier wesentlichen Schritte der radikalischen Polymerisation.

Antwort anzeigen

Antwort

  1. Bildung der Start-Radikale: Dibenzoylperoxid zerfällt in Radikale
  2. Kettenstart (Initiation): Ein Radikal trifft auf ein Monomer (z.B. Ethen-Molekül) und reagiert zu einem neuen (größeren) Radikal
  3. Kettenwachstum: Das Radikal greift ein weiteres Monomer an und die Kette wird verlängert
  4. Kettenabbruch: Zwei Radikale treffen aufeinander
Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die Kunststoffsynthese durch Polykondensation.

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der Polykondensation werden Monomer-Moleküle mit mind. zwei reagierenden funktionellen Gruppen unter Abspaltung eines kleinen Moleküls (z. B. Wasser) miteinander verknüpft.

Frage anzeigen

Frage

Wie entsteht ein Polyester? Benenne die funktionellen Gruppen der Monomere.

Antwort anzeigen

Antwort

Eine Hydroxygruppe reagiert mit einer Carboxylgruppe unter Wasserabspaltung zu einem Ester. 

Frage anzeigen

Frage

Wie entsteht ein Polyamid? Benenne die funktionellen Gruppen der Monomere.

Antwort anzeigen

Antwort

Eine Carboxylgruppe reagiert mit einer Aminogruppe unter Wasserabspaltung und Ausbildung einer Amidbindung.

Frage anzeigen

Frage

Wie entsteht ein Phenoplast?

Antwort anzeigen

Antwort

Phenoplaste entstehen durch Polykondensation einer Carbonylverbindung (meist Methanal) mit Phenolen.

Frage anzeigen

Frage

Aus welchen Edukten entsteht ein Polyurethan?

Antwort anzeigen

Antwort

Diol + Diisocyanat = Polyurethan

Frage anzeigen

Frage

Aus welchen Edukten entsteht ein Polyharnstoff?

Antwort anzeigen

Antwort

Diamin + Diisocyanat = Polyharnstoff

Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die strukturellen Eigenschaften eines Thermoplasts?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Bifunktional
  • Gemisch nicht miteinander verbundener Makromoleküle (linear)
  • Beim Erhitzen verformbar
Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die strukturellen Eigenschaften eines Duroplasts?

Antwort anzeigen

Antwort

  • min. trifunktional
  • Verknüpfung der Molekülketten zu dreidimensionalem Netzwerk
  • Beim Erhitzen: Zersetzung
Frage anzeigen

Frage

Beschreibe die strukturellen Eigenschaften eines Elastomers?

Antwort anzeigen

Antwort

Ähneln im molekularen Aufbau Duroplasten, aber die Ketten sind nicht starr, sondern etwas beweglich

Bei Zug- bzw. Druckbelastungen verhalten sie sich elastisch: Sie kehren in ihre ursprüngliche Form zurück.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die drei wichtigsten Synthesemechanismen von Kunststoffen.

Antwort anzeigen

Antwort

  • Radikalische Polymerisation
  • Polykondensation
  • Polyaddition
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Frage

Nenne die vier wesentlichen Schritte der radikalischen Polymerisation.

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Antwort

  1. Bildung der Start-Radikale: Dibenzoylperoxid zerfällt in Radikale
  2. Kettenstart (Initiation): Ein Radikal trifft auf ein Monomer (z.B. Ethen-Molekül) und reagiert zu einem neuen (größeren) Radikal
  3. Kettenwachstum: Das Radikal greift ein weiteres Monomer an und die Kette wird verlängert
  4. Kettenabbruch: Zwei Radikale treffen aufeinander
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Frage

Beschreibe die Kunststoffsynthese durch Polykondensation.

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Antwort

Bei der Polykondensation werden Monomer-Moleküle mit mind. zwei reagierenden funktionellen Gruppen unter Abspaltung eines kleinen Moleküls (z. B. Wasser) miteinander verknüpft.

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Frage

Wie entsteht ein Polyester? Benenne die funktionellen Gruppen der Monomere.

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Antwort

Eine Hydroxygruppe reagiert mit einer Carboxylgruppe unter Wasserabspaltung zu einem Ester. 

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Frage

Wie entsteht ein Polyamid? Benenne die funktionellen Gruppen der Monomere.

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Antwort

Eine Carboxylgruppe reagiert mit einer Aminogruppe unter Wasserabspaltung und Ausbildung einer Amidbindung.

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Frage

Wie entsteht ein Phenoplast?

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Antwort

Phenoplaste entstehen durch Polykondensation einer Carbonylverbindung (meist Methanal) mit Phenolen.

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Frage

Aus welchen Edukten entsteht ein Polyurethan?

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Antwort

Diol + Diisocyanat = Polyurethan

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Frage

Aus welchen Edukten entsteht ein Polyharnstoff?

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Antwort

Diamin + Diisocyanat = Polyharnstoff

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Frage

Beschreibe die strukturellen Eigenschaften eines Thermoplasts?

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Antwort

  • Bifunktional
  • Gemisch nicht miteinander verbundener Makromoleküle (linear)
  • Beim Erhitzen verformbar
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Frage

Beschreibe die strukturellen Eigenschaften eines Duroplasts?

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Antwort

  • min. trifunktional
  • Verknüpfung der Molekülketten zu dreidimensionalem Netzwerk
  • Beim Erhitzen: Zersetzung
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Frage

Beschreibe die strukturellen Eigenschaften eines Elastomers?

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Antwort

Ähneln im molekularen Aufbau Duroplasten, aber die Ketten sind nicht starr, sondern etwas beweglich

Bei Zug- bzw. Druckbelastungen verhalten sie sich elastisch: Sie kehren in ihre ursprüngliche Form zurück.

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Frage

Nenne die drei wichtigsten Synthesemechanismen von Kunststoffen.

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Antwort

  • Radikalische Polymerisation
  • Polykondensation
  • Polyaddition
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Frage

Nenne die vier wesentlichen Schritte der radikalischen Polymerisation.

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Antwort

  1. Bildung der Start-Radikale: Dibenzoylperoxid zerfällt in Radikale
  2. Kettenstart (Initiation): Ein Radikal trifft auf ein Monomer (z.B. Ethen-Molekül) und reagiert zu einem neuen (größeren) Radikal
  3. Kettenwachstum: Das Radikal greift ein weiteres Monomer an und die Kette wird verlängert
  4. Kettenabbruch: Zwei Radikale treffen aufeinander
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Frage

Beschreibe die Kunststoffsynthese durch Polykondensation.

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Antwort

Bei der Polykondensation werden Monomer-Moleküle mit mind. zwei reagierenden funktionellen Gruppen unter Abspaltung eines kleinen Moleküls (z. B. Wasser) miteinander verknüpft.

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Wie entsteht ein Polyester? Benenne die funktionellen Gruppen der Monomere.

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Antwort

Eine Hydroxygruppe reagiert mit einer Carboxylgruppe unter Wasserabspaltung zu einem Ester. 

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Wie entsteht ein Polyamid? Benenne die funktionellen Gruppen der Monomere.

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Eine Carboxylgruppe reagiert mit einer Aminogruppe unter Wasserabspaltung und Ausbildung einer Amidbindung.

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Frage

Wie entsteht ein Phenoplast?

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Antwort

Phenoplaste entstehen durch Polykondensation einer Carbonylverbindung (meist Methanal) mit Phenolen.

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Frage

Aus welchen Edukten entsteht ein Polyurethan?

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Antwort

Diol + Diisocyanat = Polyurethan

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Aus welchen Edukten entsteht ein Polyharnstoff?

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Antwort

Diamin + Diisocyanat = Polyharnstoff

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Frage

Beschreibe die strukturellen Eigenschaften eines Thermoplasts?

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Antwort

  • Bifunktional
  • Gemisch nicht miteinander verbundener Makromoleküle (linear)
  • Beim Erhitzen verformbar
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Frage

Beschreibe die strukturellen Eigenschaften eines Duroplasts?

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Antwort

  • min. trifunktional
  • Verknüpfung der Molekülketten zu dreidimensionalem Netzwerk
  • Beim Erhitzen: Zersetzung
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Frage

Beschreibe die strukturellen Eigenschaften eines Elastomers?

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Antwort

Ähneln im molekularen Aufbau Duroplasten, aber die Ketten sind nicht starr, sondern etwas beweglich

Bei Zug- bzw. Druckbelastungen verhalten sie sich elastisch: Sie kehren in ihre ursprüngliche Form zurück.

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Frage

Nenne die drei wichtigsten Synthesemechanismen von Kunststoffen.

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Antwort

  • Radikalische Polymerisation
  • Polykondensation
  • Polyaddition
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Frage

Nenne die vier wesentlichen Schritte der radikalischen Polymerisation.

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Antwort

  1. Bildung der Start-Radikale: Dibenzoylperoxid zerfällt in Radikale
  2. Kettenstart (Initiation): Ein Radikal trifft auf ein Monomer (z.B. Ethen-Molekül) und reagiert zu einem neuen (größeren) Radikal
  3. Kettenwachstum: Das Radikal greift ein weiteres Monomer an und die Kette wird verlängert
  4. Kettenabbruch: Zwei Radikale treffen aufeinander
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Frage

Beschreibe die Kunststoffsynthese durch Polykondensation.

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Antwort

Bei der Polykondensation werden Monomer-Moleküle mit mind. zwei reagierenden funktionellen Gruppen unter Abspaltung eines kleinen Moleküls (z. B. Wasser) miteinander verknüpft.

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Frage

Wie entsteht ein Polyester? Benenne die funktionellen Gruppen der Monomere.

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Antwort

Eine Hydroxygruppe reagiert mit einer Carboxylgruppe unter Wasserabspaltung zu einem Ester. 

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Wie entsteht ein Polyamid? Benenne die funktionellen Gruppen der Monomere.

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Eine Carboxylgruppe reagiert mit einer Aminogruppe unter Wasserabspaltung und Ausbildung einer Amidbindung.

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Frage

Wie entsteht ein Phenoplast?

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Antwort

Phenoplaste entstehen durch Polykondensation einer Carbonylverbindung (meist Methanal) mit Phenolen.

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Frage

Aus welchen Edukten entsteht ein Polyurethan?

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Antwort

Diol + Diisocyanat = Polyurethan

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Frage

Aus welchen Edukten entsteht ein Polyharnstoff?

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Antwort

Diamin + Diisocyanat = Polyharnstoff

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Beschreibe die strukturellen Eigenschaften eines Thermoplasts?

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Antwort

  • Bifunktional
  • Gemisch nicht miteinander verbundener Makromoleküle (linear)
  • Beim Erhitzen verformbar
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Frage

Beschreibe die strukturellen Eigenschaften eines Duroplasts?

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Antwort

  • min. trifunktional
  • Verknüpfung der Molekülketten zu dreidimensionalem Netzwerk
  • Beim Erhitzen: Zersetzung
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Frage

Beschreibe die strukturellen Eigenschaften eines Elastomers?

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Antwort

Ähneln im molekularen Aufbau Duroplasten, aber die Ketten sind nicht starr, sondern etwas beweglich

Bei Zug- bzw. Druckbelastungen verhalten sie sich elastisch: Sie kehren in ihre ursprüngliche Form zurück.

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Frage

Nennen Sie die Kunststoffe für die folgenden Kurzbezeichnungen: 

PE, PIB, PTFE, PVC, PP, PA 6, PVC,

PS PC.

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Antwort


• Polyethylen (Polyethen) 

• Polyisobutylen  Polytetrafluorethylen 

• Polyvinylchlorid 

• Polypropylen

• Polyamid 

• Polyvinylchlorid

• Polystyrol  

• Polycarbonat



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Frage

Ordne die folgenden Kunstoffe in Hochtemperaturkunststoffe, Konstruktionskunststoffe und Standardkunststoffe ein: PBI, PI, PC, PMP, PMMA und PE.


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Antwort

• Hochtemperaturkunststoffe: PBI und PI.

• Konstruktionskunststoffe: PC und PMP.

• Standardkunststoffe: PMMA und PE. 

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Frage

Welchen Einfluss haben Gestalt, Größe und Anordnung der Makromoleküle auf Kunststoffe?  


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Antwort

Gestalt, Größe und Anordnung der Makromoleküle haben Einlfuss auf die physikalischen Eigenschaften eines Kunststoffs. Sie beinflussen die Schmelz- und Gefriertemperatur, die Härtigkeit und die Löslichkeit (mit Lösungsmittel). 

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Frage

Erkläre auf molekularer Ebene den Einfluss von Temperaturerhöhung auf Thermoplasten. 

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Antwort

Durch Erhöhung der Temperatur wird dem Kunststoff Energie in Form von Wärme zugegben. Dies führt zu Schwingungen in Vernetzungspunkten der Kettensegmente innerhalb des Kunststoffes. Dabei ändert sich jedoch nicht der Schwerpunkt des Gesamtmoleküls. Der Kunststoff wird weicher. Bei weitere Wärmezugabe wird der Kunststoff in eine hochviskose Flüssigkeit umgewandelt. 

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Frage

Bei folgenden Kunststoffen handelt es sich um Thermoplasten:

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Antwort

Nylon

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Frage

Die Abkürzung PET bedeutet

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Antwort

Polyethylenterephthalat

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