Was ist eine Polymerisation?

Die Polymerisation ist eine chemische Reaktion, bei der sich viele kleine Moleküle (Monomere) zu einem riesigen Makromolekül (Polymer) verbinden. Dabei öffnen sich die Doppelbindungen der Monomere, sodass sie sich wie an den Händen fassen und lange Ketten bilden.

Was ist der Unterschied zwischen Monomer und Polymer?

Ein Monomer ist ein einzelner, kleiner Baustein (z. B. Ethen). Ein Polymer hingegen ist die lange Kette, die entsteht, wenn sich tausende dieser Monomere miteinander verbinden (z. B. Polyethen). Polymere bilden die Grundlage für alle Kunststoffe.

Wie entstehen verschiedene Kunststoffe wie PVC oder Teflon?

Wenn man die Atome im ursprünglichen Monomer austauscht, erhält man neue Kunststoffe mit anderen Eigenschaften. Ersetzt man beispielsweise beim Ethen ein Wasserstoffatom durch ein Chloratom, entsteht das Monomer Vinylchlorid, welches zu Polyvinylchlorid (PVC) polymerisiert. Tauscht man alle Wasserstoffatome gegen Fluor aus, entsteht Teflon .

Makromoleküle durch Polymerisation

Hast du schon einmal aus hunderten gleichen Legosteinen einen riesigen Turm gebaut? Genau so funktioniert die Herstellung von Kunststoffen! In der Chemie nehmen wir winzige Bausteine und verknüpfen sie zu gigantischen Ketten.

In dieser Lektion lernst du, wie aus kleinen Molekülen riesige Kunststoffe entstehen und wie man durch kleine Veränderungen an den Bausteinen völlig neue Materialien erschaffen kann.

Vorwissen

Moleküle: Verbindungen, die aus zwei oder mehr Atomen bestehen.

Beispiel: Ein Wassermolekül ( $\text{H}_2\text{O}$ ) besteht aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen.
Doppelbindungen: Zwei Kohlenstoffatome können sich zwei Elektronenpaare teilen, was man als Doppelstrich zeichnet.

Beispiel: Das Molekül Ethen ( $\text{C}_2\text{H}_4$ ) besitzt eine solche Doppelbindung ( $\text{H}_2\text{C}=\text{CH}_2$ ).

Aufgabentyp 1: Makromoleküle und die Polymerisation

Um Kunststoffe zu verstehen, müssen wir drei wichtige Begriffe kennen, die aus dem Griechischen stammen:

Monomer: Das Wort kommt von monos (einzeln) und meros (Teil). Es ist ein einzelner, kleiner Baustein.
Polymer: Das kommt von polys (viel) und meros (Teil). Es ist eine lange Kette aus vielen Bausteinen.
Makromolekül: Das kommt von makros (groß). Es ist ein Riesenmolekül.

Merksatz: Alle Kunststoffe bestehen aus Makromolekülen. Diese Riesenmoleküle (Polymere) werden gebildet, indem man sehr viele kleine Moleküle (Monomere) aneinanderreiht.

Wie genau verbinden sich diese kleinen Bausteine? Die chemische Reaktion, bei der ein Polymer entsteht, nennt man Polymerisation.

Schauen wir uns das am Beispiel von Ethen an. Ethen-Moleküle haben eine Doppelbindung zwischen ihren Kohlenstoffatomen. Stell dir vor, zwei Menschen halten sich mit beiden Händen fest. Wenn sie nun jeweils eine Hand loslassen, können sie mit dieser freien Hand einen Nachbarn greifen.

Genau das passiert bei der Polymerisation: Die Doppelbindungen der Ethen-Monomere öffnen sich. Dadurch können sie sich mit anderen Ethen-Molekülen verbinden und fortlaufende Ketten aus Einfachbindungen bilden. Das Ergebnis ist Polyethen (oft Polyethylen genannt).

Ein einziges Makromolekül aus Polyethen kann aus bis zu 200.000 Kohlenstoffatomen bestehen! Dieser Kunststoff wird im Alltag oft für Plastiktüten, Gefrierbeutel oder Mülltonnen verwendet.

Was passiert, wenn wir den Ethen-Baustein leicht verändern? Wenn wir ein oder mehrere Wasserstoffatome im Ethen durch andere Atome (wie Chlor oder Fluor) ersetzen, erhalten wir neue Monomere.

Diese veränderten (substituierten) Monomere können ebenfalls polymerisieren. Das Tolle daran ist: Durch diesen kleinen Austausch entstehen Kunststoffe mit völlig neuen Eigenschaften, die für spezielle Aufgaben perfekt geeignet sind!

Hier sind einige wichtige Beispiele:

Polyvinylchlorid (PVC): Ein Wasserstoffatom wird durch ein Chloratom ersetzt. Daraus macht man stabile Rohre und medizinische Schläuche.
Polytetrafluorethen (Teflon): Alle vier Wasserstoffatome werden durch Fluoratome ersetzt. Das ergibt die Antihaftbeschichtung in Bratpfannen.
Polypropen (PP): Ein Wasserstoffatom wird durch eine $\text{CH}_3$ -Gruppe ersetzt. Es wird für Batteriegehäuse und Schüsseln genutzt.
Polystyrol (PS): Ein Wasserstoffatom wird durch einen Kohlenstoff-Ring (Phenylring) ersetzt. Daraus macht man Styropor-Verpackungen und CD-Hüllen.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Schritt 1: Das Monomer zeichnen: Zeichne das Ausgangsmolekül mit seiner Doppelbindung. Schreibe ein kleines $n$ davor, um zu zeigen, dass viele Moleküle reagieren.
Schritt 2: Die Doppelbindung öffnen: Mache aus der Doppelbindung eine Einfachbindung. Zeichne links und rechts an die Kohlenstoffatome neue Bindungen, die nach außen zeigen.
Schritt 3: Klammern und das "n" hinzufügen: Setze eckige Klammern um das Molekül, sodass die äußeren Bindungen durch die Klammern schneiden. Schreibe ein kleines $n$ unten rechts an die Klammer. Das $n$ steht für die unzähligen Wiederholungen in der Kette.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 1

Aufgabe

Zeichne die chemische Gleichung für die Polymerisation von Ethen zu Polyethen.

Fortschritt

2 / 2

Schritt 1
Das Monomer zeichnen
Wir zeichnen Ethen mit seiner Doppelbindung. Da viele Moleküle reagieren, schreiben wir ein $n$ davor:

$n \ \text{CH}_2\textcolor{#08BFFF}{=}\text{CH}_2$
Schritt 2 & 3 · Ergebnis
Die Doppelbindung öffnen und Klammern setzen
Die Doppelbindung wird zur Einfachbindung. Wir setzen eckige Klammern und das $n$ , um die lange Kette zu zeigen:

$n \ \text{CH}_2\textcolor{#08BFFF}{=}\text{CH}_2 \to [-\text{CH}_2\textcolor{#08BFFF}{-}\text{CH}_2-]_n$

Reaktionsgleichung Ethen zu Polyethen

Ergebnis:

Die Polymerisation von Ethen ergibt Polyethen, dargestellt durch die sich wiederholende Einheit in eckigen Klammern.

Quiz zu Makromoleküle durch Polymerisation: Teste dein Wissen

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Quizfrage 1 zu Makromoleküle durch Polymerisation

Was bedeutet der Begriff "Polymer" laut den Erklärungen im Text?

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Aus wie vielen Kohlenstoffatomen kann ein einziges Makromolekül aus Polyethen bestehen?

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Beispiel 2

Aufgabe

Das Monomer Vinylchlorid sieht aus wie Ethen, nur dass ein Wasserstoffatom durch ein Chloratom ( $\text{Cl}$ ) ersetzt wurde. Zeichne die chemische Gleichung für die Polymerisation zu Polyvinylchlorid (PVC).

Fortschritt

2 / 2

Schritt 1
Das Monomer zeichnen
Wir zeichnen Vinylchlorid. Es hat eine Doppelbindung und ein Chloratom:

$n \ \text{CH}_2\textcolor{#08BFFF}{=}\text{CH}\textcolor{#9570FF}{\text{Cl}}$
Schritt 2 & 3 · Ergebnis
Die Doppelbindung öffnen und Klammern setzen
Genau wie bei Ethen klappt die Doppelbindung auf und verbindet die Bausteine:

$n \ \text{CH}_2\textcolor{#08BFFF}{=}\text{CH}\textcolor{#9570FF}{\text{Cl}} \to [-\text{CH}_2\textcolor{#08BFFF}{-}\text{CH}\textcolor{#9570FF}{\text{Cl}}-]_n$

Reaktionsgleichung Vinylchlorid zu PVC

Ergebnis:

Durch die Polymerisation von Vinylchlorid entsteht Polyvinylchlorid (PVC).

Wichtige Erkenntnisse

Monomere sind kleine Bausteine, die sich zu riesigen Polymeren (Makromolekülen) verbinden.
Bei der Polymerisation öffnen sich die Doppelbindungen der Monomere, um lange Ketten zu bilden.
Wenn man Atome im Monomer austauscht (z. B. Chlor statt Wasserstoff), entstehen neue Kunststoffe mit anderen Eigenschaften (wie PVC oder Teflon).

Makromoleküle durch Polymerisation einfach erklärt: Kunststoffe