Polymerisation

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Polymerisation - auch Polyreaktion genannt, ist eine Synthesereaktion. Eine Synthese ist ein Vorgang, bei dem aus Elementen ein neuer Stoff hergestellt wird. 


Polymerisation ist lediglich ein Oberbegriff von diesen Synthesereaktionen, bei denen Monomere in Polymere umgewandelt werden. Monomere beschreibt dabei einen natürlichen Kunststoff, wohingegen Polymere die synthetisch hergestellte Form von Kunststoff ist. Eben genau das, was du zum Beispiel in Form von Verpackungen im Supermarkt vorfinden kannst.



Kettenpolymerisation


Insgesamt gibt es zwei Möglichkeiten der Polymerisationsreaktion: unter anderem zählt die Kettenpolymerisation dazu. Bei diesem Vorgang gilt:  durch das Auslösen einer Startreaktion, hängen sich die Monomere immer weiter an die größer werdenden Polymere an.


Die Kettenpolymerisation lässt sich ebenfalls in mehrere Untergruppen einteilen: 

Eine davon, ist die Radikalische Polymerisation. Diese wird durch eine Startreaktion ausgelöst, indem so lange Wärme zugeführt wird, bis die Polymerisation beginnt. Danach geht die Reaktion in die Wachstumsreaktion über: in dieser Phase beginnt die makromolekulare Kette in Form einer Kettenreaktion immer weiter zu wachsen. Anschließend geht die zweite Phase in die sogenannte Abbruchreaktion über: in diesem Schritt wird die Wachstumsreaktion beendet, ausgelöst durch eine irreversible Kombination von Monomeren. 


Die Radikalische Polymerisation kann sehr gezielt gestoppt werden: Das Hinzugeben eines Radikalfängers unterbricht die Kettenreaktion. Man beachte, dass die Anlagerung an das jeweilige Kettenende nur deshalb funktioniert, weil es reaktiv ist. Es ist also in der Lage mit einem Monomer zu reagieren, wodurch sich dieses überhaupt erst anlagern kann.


Zwei weitere Möglichkeiten: die Kationische und Anionische Polymerisation.


Bei der Radikalischen Polymerisation, spielen wie der Name schon sagt, Radikale eine Rolle bei dem Vorgang. 

Dahingegen sind es bei den anderen beiden Verläufen Kationen und Anionen, die den Kettenstart hervorrufen. Der Abbruch des Wachstums erfolgt durch das Zusammentreffen von Kation und Anion. 


Ein Kation ist ein positiv geladenes Ion, wohingegen ein Anion ein negativ geladenes Ion ist.




Stufenwachstumsreaktion


Wie wir bereits erwähnt haben, gibt es zwei Arten der Polymerisationsreaktion. Eine hast du schon kennengelernt. Jetzt werfen wir einen genaueren Blick auf die Stufenwachstumsreaktion. 


Damit diese Art der Reaktion funktioniert, werden als Basis mindestens zwei funktionelle Gruppen der Monomere benötigt, welche unabhängig voneinander reagieren können. Genau wie bei der anderen Polymerisation gibt es auch hier wieder zwei Untergruppen:

Einmal die Polyaddition, welche wir uns zuerst anschauen werden und die Polykondensation.



Polyaddition

Die Polyaddition erfolgt mit Molekülen, die einen niedrigen Polymerisationsgrad besitzen. Der Polymerisationsgrad gibt lediglich die Anzahl von den Grundbausteinen wieder, die ein Polymermolekül hat. Diese können bei der Polyaddition Dimere (also ein Molekül welches aus zwei Monomeren besteht, Trimere (die sich aus drei Monomeren zusammensetzen) oder auch Oligomere (mehrere Monomehre, die ähnlich zueinander aufgebaut sind) sein. Die Dimere, Trimere und Oligomere können untereinander neue Addukte bilden. Addukte sind zusammengesetzte Moleküle. Erst wenn sie sich oft genug zusammengesetzt beziehungsweise addiert haben, entsteht ein Polymer.


Polykondensation

Schauen wir uns jetzt einmal die Polykondensation näher an. Dieser Vorgang verläuft mit Kondensationsreaktionen. Bei dieser Art von Reaktion, können sich zwei Moleküle miteinander verbinden, indem sie Wasser abspalten. Das passiert bei jeder einzelnen Reaktion. Benötigt werden hierfür Oligomere, welche untereinander reagieren und sich zusammenschließen. Fragt ihr euch jetzt, was mit dem Wasser passiert, welches abgespalten wurde? Nichts. Es ist lediglich ein Nebenprodukt der Reaktion, muss jedoch regelmäßig abgeführt werden, da die Polykondensation sonst stoppt.


Im Gegensatz zu den anderen Reaktionen, ist dies die einzige bei der ein Nebenprodukt anfällt. Es kann durchaus passieren, dass das abgespaltene Nebenprodukt nicht unbedingt Wasser ist, sondern zum Beispiel auch Ammoniak, niedrige Alkohole oder Chlorwasserstoff.


Das Endprodukt kann als Polykondensate bezeichnet werden. Außerdem können nicht nur synthetisch hergestellte Polymere durch das Verfahren Polykondensation entstehen. Polykieselsäure beispielsweise ist ein natürliches Polymer, entsteht jedoch ebenfalls durch die Polykondensation.




Natürliche Polymerisation


Ihr habt bis jetzt nur die synthetische Art und Weise der Polymerisation kennengelernt. Es besteht allerdings ebenfalls eine natürliche Form der Polymerisation:

diese erfüllen den Lebewesen allerdings einen anderen Zweck: Organismen nutzen die Polymerisationsreaktion unter anderem zur Synthese von DNA und Proteinen. Die dabei ablaufenden Reaktionen bei der Herstellung von Kunststoff sind jedoch viel komplizierter als die synthetischen Reaktionen.


Aufgrund der hohen Komplexität der Reaktionen, bestimmen sie auch das Aussehen des finalen Polymers. Gerade in Bezug auf die DNA ist das auch notwendig. 

Da die natürliche Polymerisation so genau abläuft, versuchen Forscher diese Abläufe technisch nachzustellen.


Alles Wichtige zur Polymerisation auf einen Blick


  • Polymerisation beschreibt eine Synthesereaktion, also eine Reaktion bei der aus zwei Elementen ein neuer Stoff hergestellt wird. In diesem Fall werden aus Monomeren Polymere.

  • Man unterscheidet dabei zwischen der Kettenpolymerisation, welche ebenfalls unterteilt werden kann und der Stufenwachstumsreaktion, welche auch mehrere Möglichkeiten bietet.

  • Bei der Kettenpolymerisation hängen sich Monomere an das reaktive Ende einer Polymerkette, bis daraus ein Polymer entsteht.

  • Dahingegen erfolgt die Stufenwachstumsreaktion in Abschnitten beziehungsweise Stufen und erfolgt nicht in einer Kettenreaktion.





Finales Polymerisation 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.

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Frage

Nenne die drei wichtigsten Synthesemechanismen von Kunststoffen.

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  • Radikalische Polymerisation
  • Polykondensation
  • Polyaddition
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Frage

Nenne die vier wesentlichen Schritte der radikalischen Polymerisation.

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  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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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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Wie entsteht ein Phenoplast?

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

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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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Diamin + Diisocyanat = Polyharnstoff

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Beschreibe die strukturellen Eigenschaften eines Thermoplasts?

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  • Bifunktional
  • Gemisch nicht miteinander verbundener Makromoleküle (linear)
  • Beim Erhitzen verformbar
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Beschreibe die strukturellen Eigenschaften eines Duroplasts?

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  • min. trifunktional
  • Verknüpfung der Molekülketten zu dreidimensionalem Netzwerk
  • Beim Erhitzen: Zersetzung
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Beschreibe die strukturellen Eigenschaften eines Elastomers?

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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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Nenne die drei wichtigsten Synthesemechanismen von Kunststoffen.

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  • Radikalische Polymerisation
  • Polykondensation
  • Polyaddition
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Nenne die vier wesentlichen Schritte der radikalischen Polymerisation.

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  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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Beschreibe die Kunststoffsynthese durch Polykondensation.

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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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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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Wie entsteht ein Phenoplast?

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

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Aus welchen Edukten entsteht ein Polyurethan?

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Diol + Diisocyanat = Polyurethan

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  • Bifunktional
  • Gemisch nicht miteinander verbundener Makromoleküle (linear)
  • Beim Erhitzen verformbar
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  • min. trifunktional
  • Verknüpfung der Molekülketten zu dreidimensionalem Netzwerk
  • Beim Erhitzen: Zersetzung
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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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Nenne die drei wichtigsten Synthesemechanismen von Kunststoffen.

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  • Radikalische Polymerisation
  • Polykondensation
  • Polyaddition
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Nenne die vier wesentlichen Schritte der radikalischen Polymerisation.

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  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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Beschreibe die Kunststoffsynthese durch Polykondensation.

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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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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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Wie entsteht ein Phenoplast?

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

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Aus welchen Edukten entsteht ein Polyurethan?

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Beschreibe die strukturellen Eigenschaften eines Thermoplasts?

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  • Bifunktional
  • Gemisch nicht miteinander verbundener Makromoleküle (linear)
  • Beim Erhitzen verformbar
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Beschreibe die strukturellen Eigenschaften eines Duroplasts?

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  • min. trifunktional
  • Verknüpfung der Molekülketten zu dreidimensionalem Netzwerk
  • Beim Erhitzen: Zersetzung
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Bei Zug- bzw. Druckbelastungen verhalten sie sich elastisch: Sie kehren in ihre ursprüngliche Form zurück.

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