Makromolekulare Chemie

Dieses Skript führt in das Themengebiet der Makromolekularen Chemie ein. Wir werden uns zunächst ein wenig mit der Geschichte der Makromolekularen Chemie beschäftigen, bevor wir dazu übergehen, den Begriff des Makromoleküls und des Polymers kennen zu lernen. Anschließend schauen wir uns die Baueinheiten von Polymeren an und schließen dieses Skript in diesem Zusammenhang mit einem Ausblick auf die Kunststoffe ab. In weiteren Skripten dieses Themengebiets beschäftigen wir uns dann mit den Beziehungen zwischen der Struktur und den Eigenschaften von Polymeren, der Polysynthese in Form der radikalischen Polymerisation, der Polykondensation sowie der Polyaddition. Neben den Mechanismen dieser Synthesen interessiert uns hier insbesondere auch das Produkt, welches am Ende dabei herauskommt. Du wirst lernen woher der Begriff PVC kommt und die Eigenschaften dieser und weiterer Verbindungen verstehen lernen. Zum Abschluss werfen wir einen Blick auf die Verwertung sowie die nachhaltige Verwendung und Produktion von Kunststoffen.

Hermann Staudinger und die Chemie der Makromoleküle

Diese Hypothese wurde Gegenstand einer intensiven Diskussion und erst durch die Untersuchung von Kautschuk und anderen Polymeren konnte Staudinger seine Theorie untermauern. Für seine wegweisenden Arbeiten auf diesem Gebiet wurde er dann 1953 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet und gilt auch heute noch als Vater der Polymerchemie. Im Anschluss können wir uns dann mit dem Aufbau von Makromolekülen beschäftigen und lernen die Reaktionsmechanismen der radikalischen Polymerisation, der Polyaddition und der Polykondensation kennen. Mithilfe derer wirst du in der Lage sein, wichtige makromolekulare Verbindungen aus ihren Monomeren aufzubauen. Zum Abschluss werfen wir einen Blick auf das Recycling und eine nachhaltige Produktion von Kunststoffen. Wir werden hier lernen, wie gebrauchte Kunststoffe als Rohmaterial in einen Werkstoffkreislauf rückgeführt werden können, welche Kunststoffe für welche Arten der Wiederverwertung in Frage kommen und welche Anstrengungen unternommen werden können, um schon bei der Produktion eine relative Umweltverträglichkeit der Materialien zu gewährleisten.

Zentrale Begriffe der makromolekularen Chemie

Am Anfang jedes Makromoleküls stehen ein oder mehrere Bausteine, die als Monomer bezeichnet werden. Diese Monomere (vom gr. monos = einzig, allein; hier eins) besitzen primär die Eigenschaft, dass sie durch sogenannte Polymerisationsreaktionen zu makromolekularen Verbindungen mit variierender Kettenlänge verbunden werden können. Hier kannst du beispielhaft drei Monomere sehen, die alle charakteristische Eigenschaften aufweisen, die sie zu bestimmten Polymerisationsreaktionen befähigen. Zentrale Aspekt sind funktionelle Gruppen oder Doppelbindungen. Diese weisen spezifische Verknüpfungsmöglichkeiten auf, welche in den jeweiligen Makromolekülen realisiert sind. Ein anderer interessanter Aspekt, den wir bereits angesprochen haben, bezieht sich auf die Molekülstruktur der Monomere. Wir wollen an dieser Stelle bereits festhalten, dass diese erhebliche Auswirkungen auf die Struktur und Eigenschaften des Makromoleküls haben. Im Falle des Beispiels oben haben wir bspw. aromatische Kohlenwasserstoffe, welche große Ringstrukturen aufweisen, die relativ starke van-der-Waals-Kräfte ausbilden können, wohingegen einfache C-Ketten relativ schwache intramolekulare Kräfte aufbauen.
Wenn wir mehrere dieser Monomere verknüpfen, erhalten wir zunächst ein Oligomer. Dieses Makromolekül besteht aus zehn bis zwanzig Monomeren. Das Polymer ist ein Makromolekül, das aus vielen Molekülen aufgebaut ist und in dem eine oder mehrere Arten von Grundbausteinen wiederholt auftauchen. Eine zentrale Frage, die wir auch ausführlichst behandeln werden, bezieht sich auf den Aufbau von Polymeren.

Kunststoffe

Das Problem ist: Plastik ist überall - wirklich überall. Wir finden riesige „Müllstrudel“ in den Weltmeeren, von denen ein Bestandteil aus winzigen Plastikpartikeln besteht. Diese feinen Partikel können wir nicht sehen, aber das bedeutet noch lange nicht, dass sie nicht da sind. Wir müssen uns also fragen, warum Plastik in unserem Zeitalter eine derart zentrale Rolle spielt. Plastik ist nicht gleich Plastik! Der Begriff des Kunststoffs beschreibt eine riesige Menge von verschiedensten Verbindungen, die stetig weiter wächst. Kunststoffe sind maßgeschneiderte Werkstoffe und insbesondere im 21. Jahrhundert verbergen sich hier High-Tech-Produkte, welche außergewöhnliche Eigenschaften aufweisen. Du wirst wohl keinen Tag erleben, an welchem dir der Kontakt mit Kunststoffen erspart bleiben würde. Und das ist oft auch notwendig und erlaubt uns einen Lebensstandard, von dem viele Menschen nur träumen können.
Kunststoffe sind hochvariable Stoffe, das heißt, dass wir eine große Bandbreite an verschiedensten Verbindungen nach unseren Vorstellungen herstellen können. Leicht aber stabil oder flexibel und reißfest - Kunststoffe lassen sich heute in so hoher Anzahl und mit derart spezifischen Eigenschaften synthetisieren, dass der Mensch in vielerlei Hinsicht nicht mehr auf die Natur angewiesen ist.
Aus diesem Grund werden wir uns sehr intensiv mit diesen Verbindungen befassen, lernen wie sie produziert werden und welche Verbindungen in welchen Einsatzgebieten zu finden sind.
Kunststoffe sind wohl die Stoffgruppe, bei der die Chemie im direkten Zusammenhang mit unseren alltäglichen Erfahrungen stehen. Jeder von uns nutzt Kunststoffe und deshalb sollten wir auch darüber Bescheid wissen, welche Vorteile, Nachteile und Risiken diese bergen.