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Inhaltsverzeichnis
1. Grundsätzliches zur Unterrichtsreihe Kunststoffe 3
2. Übersicht über die Stundenplanung 4
3. Gliederung der Unterrichtsreihe
3.1 Alltagsbezug im Chemieunterricht (1.+ 2.Stunde) 5
3.1.1 Untersuchungen der Stoffeigenschaften (Stationenlernen) 6
3.1.2 Beschreibung der Stationen 10
3.1.3 Auswertung der Versuchsergebnisse 11
3.2 Elementaranalyse (3. Stunde) 13
3.3 Theoretische Betrachtungen zum Aufbau von Kunststoffen (4. Stunde) 15
3.3.1 Kunststoff-Synthesen 17
3.4 Zusammenfang (5.Stunde) 19
4. Laborgeräte und Chemikalien 19
5. Literaturverzeichnis 20
6. Foliensammlung (Unterricht) 21
7. Handout (Seminar) 25
8. Arbeitsblätter (Stationenlernen) 26
9. Arbeitsblatt (Hausaufgabe) 32
10. Tabellen (Stationenlernen) 33
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Westfälische Wilhelms-Universität Münster
FB 12: Institut für Didaktik der Chemie
Seminar: Schulorientiertes Experimentieren Dozent: Prof. Dr. Harsch Referenten: Christian Magin, Oliver Trey Wintersemester 2006/2007
Thema der Unterrichtsreihe:
Kunststoffe im Alltag 1. Grundsätzliches zur Unterrichtsreihe Kunststoffe
Kunststoffe gehören zu den am meisten benutzten Werkstoffen der modernen Chemie. Die
vielseitige Verwendung von Kunststoffen in unserem Alltag macht sie zu einem Bestandteil
unserer Kultur und Zivilisation und damit auch zum Gegenstand unserer Bildung. Ohne
Kunststoffe wäre die Entwicklung unserer Technik und unseres Lebensstandards nicht
denkbar. Aus diesem Grund ist das Verständnis der Eigenschaften von Kunststoffen, ihrer
Herstellung und Verwendungsmöglichkeiten und nicht zuletzt die Umweltverträglichkeit ein
wichtiger Bestandteil der Allgemeinbildung. Dieser Gegenstand sollte darum auch schon im
Chemieunterricht der Sekundarstufe I behandelt werden und nicht erst in der gymnasialen
Oberstufe. Die Schüler sollten einen ersten Bezug zu den Kunststoffen aus der Sicht des
Chemikers gewinnen und die grundsätzlichen Stoffeigenschaften, sowie die chemischen
Grundlagen dieser Eigenschaften kennenlernen.
Aus Gründen der komplexen Thematik einerseits und dem Bedürfnis dieses Thema totzdem
den Schülern der Mittelstufe zugänglich zu machen andererseits, wird kein besonderes
chemisches Vorwissen vorausgesetzt. Vielmehr soll durch die phänomenologische und
stoffliche Betrachtungsweise des ,,Phänomens Kunst-stoff” ein erster Einstieg in die
organische Kunststoffchemie erfolgen. Aus diesem Grund eignet sich diese Reihe für
praktisch jede Schulstufe der Mittelstufe. Bis auf ein paar elementare chemische Kenntnisse
(experimentelles Arbeiten im Labor und organische Chemie bzw. Elementaranalyse) wird
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nichts weiter an Vorwissen vorausgesetzt. Das Thema ,,Kunststoffe im Alltag” soll zunächst
im Hinblick auf den Werkstoff Kunststoff auf makroskopischer Ebene kennengelernt und
verstanden werden, ohne auf die organische Kunststoffchemie (Synthesemechanismen) im
Detail einzugehen. Die Schüler beschäftigen sich mit diesem Thema im Verlauf der
Unterrichtsreihe auf eine forschend-entwickelnde Weise und sollen immer mehr in die
chemischen Eigenarten der überaus komplexen und schwierigen Kunststoffchemie
eindringen. Durch selbsttätige experimentelle Untersuchungen am Anfang werden die
Schüler zunächst an die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Kunststoffe
herangeführt. Darauf aufbauend geht es über die Elementaranalyse (Lehrerversuch) zur
Fragestellung der stofflichen Zusammensetzung auf elementarer und molekularer Ebene. Es
werden dann der molekulare Aufbau erläutert und die Untersuchungsergebnisse betrachtet.
Das Prinzip der Kunststoffsynthese (Polymerisation) wird darauf aufbauend hergeleitet und
exemplarisch vorgestellt (Lehrerversuch).
Zum Abschluß soll nicht nur eine Wissensicherung erfolgen, sondern sich auch
weiterführende Betrachtungen im Hinblick auf Umweltschutz, Reycling, Kunststoffe aus
nachwachsenden Rohstoffen, Verwendungszwecke, usw. anschließen. ´
2. Übersicht über die Stundenplanung:
1.Stunde:
- Erarbeitung einer Mind-Map zum Thema Kunststoffe (OHP/Tafel)
- Vorstellung ausgewählter Kunststoffe des Alltags
- Beginn Stationenlernen
2.Stunde:
- Fortsetzung Stationenlernen
- Zusammentragung der Beobachtungen (Auswertung)
3.Stunde:
- Wiederholung der gewonnenen Erkenntnisse
- Elementaranalyse einer Kunststoffprobe (Lehrerversuch)
4.Stunde:
- Theoretische Betrachtungen zum Aufbau von Kunststoffen (Monomere �
Polymerisation)
- Einteilung der Kunststoffe
- Synthese von Kunststoffen (Lehrerversuch)
5.Stunde:
- Ergebnisse, Schlußfolgerungen, Wissenssicherung, Ausblick (Umweltschutz, Recycling)
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3. Gliederung der Unterrichtsreihe
3.1 Alltagsbezug im Chemieunterricht (1.+ 2.Stunde) Im ersten Schritt der Beschäftigung mit Kunststoffen sollen bekannte Eigenschaften,
Vorkommen und Verwendungszweck von Kunststoffen zunächst einmal gesammelt werden.
Hierzu wird in der Klasse mit einem Brainstorming eine Mind-Map erstellt. Es wird das
Vorwissen der Schüler zusammengetragen und gesammelt. Ein erster, oberflächlicher
Überblick über das komplexe Thema Kunsstoff und seinem Alltagsbezug wird angestrebt.
Die Schüler haben in der vorherigen Stunde die Aufgabe erhalten sich nach ihren
Möglichkeiten über Kunststoffe zu informieren und auch von Zuhause aus
Alltagsgegenstände aus Kunsstoff mit in den Unterricht zu bringen (Haushalt, Supermarkt).
Diese Gegenstände sollen dann in den ersten zwei Unterrichtsstunden in Schülerversuchen
gemeinsam im Labor chemisch-physikalisch untersucht werden. Aus methodischen
Erwägungen heraus sollen die Schüler von vornherein möglichst auf das Vorhandensein
eines Recycling-Symbols auf den Kunststoffen achten, mit dessen Hilfe die verschiedenen
Kunststoffarten identifizierbar sind.
Dieses Recyling-Symbol wird als Orientierungs- und Unterscheidungshilfe den
Erkenntnisweg bei der Erforschung der Kunststoffe in den ersten Unterrichtseinheiten
begleiten. Die Schüler werden im Vorfeld schon darauf hingewiesen, dass in diesem Symbol
die Zahlen von 1 bis 7 auftauchen können und sie auch möglichst verschiedene
Alltagsgegenstände mitbringen sollen.
Die Schüler sehen zunächst alle Alltagskunststoffe nach Nummern getrennt vor sich auf
einem Tisch (mit Schildchen!): . Die Kunststoffe werden dabei jeweils einer Ziffer
zugeteilt und die Vielfalt unterschiedlicher Gegenstände kennt nur ein
Gruppenzugehörigkeitskennzeichen: das identische Recycling-Symbol. Schon an dieser
Stelle wird deutlich, wie schwierig es ist Kunststoffe unterscheiden zu können. Weder die
Farbe, Größe, Form noch die Beschaffenheit ermöglichen die Unterscheidung der
Kunststoffklassen.
Im weiteren Verlauf der Unterrichtseinheit geht man von der Ziffer ausgehend über zur
Kunsstoffklasse, der makromolekularen Struktur bis hin zum Baustein (Monomer) und stellt
so den Bezug zwischen makroskopischer und mikroskopischer Wirklichkeit her
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(z.B. Ziffer 4 �
PE �
Polyethylen �
Ethen). Damit erhalten die Schüler auch einen
Leitfaden in die Hand gelegt, mit dem sie später in der Lage sein werden die
unterschiedlichsten Alltagsgegenstände anhand dieser Ziffern wieder zu erkennen und zu
identifizieren (didaktischer Aspekt). Die Verwendbarkeit des im Unterricht erarbeiteten
Wissens und Verständnisses im Alltag der Schüler wird angestrebt und soll die Motivation
der Schüler bei ihrer Forschungstätigkeit fördern. Außerdem wirkt die lineare Verknüpfung
wie ein Bezugsrahmen, an dem sich die Vielzahl der Wissensinhalte voneinander herleiten
lassen und damit ein kognitives Verständnis fördern.
Ohne besondere Erklärungen und Einweisungen durch den Lehrer, erhalten die Schüler dann
den Arbeitsauftrag sich in Schülerversuchen eigenständig mit den Kunststoffen, die sie
mitgebracht haben bzw. im Unterricht vorfinden werden, zu befassen.
3.1.1 Untersuchungen der Stoffeigenschaften von Kunststoffen (Stationenlernen)
Der Lehrer kann die folgenden sechs Schülerversuche anhand von OHP-Folien der gesamten
Klasse zunächst einmal kurz vorstellen und noch ergänzende Erklärungen abgeben. Das
empfiehlt sich besonders in Klassen mit wenig Erfahrung im Umgang mit Laborgeräten und
Chemikalien. Es kann jedoch auch gleich direkt zum praktischen Teil übergegangen und
später im Labor das eine oder andere noch ergänzend erklärt werden. Die Versuche sind so
einfach gestaltet und mit allen erforderlichen Anleitungen versehen, dass ein selbsttätiges
Arbeiten leicht gewährleistet ist.
Die Klasse wird in sechs Gruppen zu vier bis fünf Schüler aufgeteilt. Diese sechs Gruppen
durchlaufen abwechselnd die sechs Stationen im Labor, die jeweils an zwei Arbeitsplätzen
aufgebaut werden. Eine Pufferstation kann eventuell eingefügt werden (z.B. Schwedenrätsel
zu den Kunststoffen oder Allgemeine Chemie). Die Schüler sollen sich innerhalb ihrer
Gruppe arbeitsteilig organisieren und auch die einzelnen Tätigkeiten abwechseln (rotierende
Arbeitsteilung). Das selbsttätige Arbeiten und die Fähigkeit im Team zu arbeiten wird
angestrebt (Sozialkompetenz). So kann z.B. ein Schüler das Arbeitsblatt vorlesen
(Lesekompetenz), während zwei andere Schüler, den Versuch durchführen (manuelle
Tätigkeiten) und der letzte Schüler die Ergebnisse protokolliert (Schreibkompetenz). Jede
Gruppe wählt aus der Vielzahl der ausliegenden Kunststoffe jeweils acht Kunststoffproben
aus, die sie dann gemeinsam untersuchen sollen. Mindestens sechs Kunststoffproben müssen
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die Ziffern 1-6 jeweils einmal abgedeckt haben, die Kunststoffproben Nr. 7 und 8 stehen zur
freien Wahl.
Der Lehrer hat prinzipiell die Möglichkeit an dieser Stelle entweder vorhandene
Schulchemikalien (meist Kunststoffplättchen) oder eben Alltagsgegenstände aus Kunststoff
zu verwenden. Um einen stärkeren Alltagsbezug zum ,,Kunst-stoff” zu haben, kann bei
ausreichender Ausstattung auf ,,anonyme” Kunststoffproben aus Lehrmittelsammlungen
verzichtet werden. Die Schüler können so ,,ihren” mitgebrachten Kunststoff im Labor
bearbeiten und ,,besser kennenlernen” und ihrem natürlichen Forschergeist damit
nachgehen. Die Motivation sich mit dem Thema Kunststoff auseinander zu setzen wird so
entsprechend gefördert (sachbezogene Motivation).
Die Schüler sollen diese Proben nun im Labor chemisch untersuchen. Sie bekommen dazu je
Gruppe ein leeres tabellarisches Arbeitsblatt ausgehändigt (s. nächste Seite), in das sie die
Ergebnisse ihrer Untersuchungen eintragen sollen, sowie die sechs Arbeitsblätter zu jeder
Station mit den Versuchsvorschriften zur Durchführung der Schülerversuche, Abbildungen
bzw. Skizzen und allgemeinen Informationen (Lesetext). Die Schüler können sich die
Stationen frei auswählen, werden jedoch darauf hingewiesen, dass Station 1 und 2
hintereinander erfolgen müssen. An sechs unterschiedlichen Stationen sollen exemplarisch
ausgewählte chemische Untersuchungen ihrer acht Kunststoffproben durchgeführt werden
und die im Hinblick auf folgende stoffliche Eigenschaften gemachten Beobachtungen später
zusammen getragen werden:
Station 1: Schmelzbereich Station 2: Verschwelen Station 3: Verbrennen Station 4: Lösungsmittel Station 5: Dichtebestimmung Station 6: Bruchverhalten
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Die Aufgabe der Schüler besteht einmal darin, die stofflichen Eigenschaften aller acht
Proben zu ermitteln und andererseits auch zu erkennen, wie man diese Kunststoffe
unterscheiden kann. Es gibt bestimmte Eigenschaften, die es ermöglichen die Kunststoffe
voneinander abzugrenzen und damit zu identifizieren. Die Fragestellung bei der Auswertung
wird sein, anhand welcher Parameter es möglich ist diese Vielzahl an Stoffen voneinander
zu unterscheiden. Die Unterscheidungskriterien für die verschiedenen Kunststoffarten sind
folgende chemische Eigenschaften: das Verhalten beim Erhitzen (Schmelzen,
Verschwelen, Verbrennen), das Verhalten in Lösungsmitteln (Lösemittelbeständigkeit),
Dichte und Festigkeit (Bruchverhalten).
Die Schüler werden dazu aufgefordert bei diesen Schülerversuchen genau zu beobachten
und die feinen Unterschiede in der farblichen und geruchlichen Wahrnehnumg auszumachen
und so zu lernen zu differenzieren. Die Beobachtungen sind nämlich z.T. nicht so eindeutig,
wie es in manchen Lehrbüchern den Anschein hat. Alleine beim Schmelzbereich kann die
Streuung der Messwerte aus experimentellen Gründen (z.B. durch zu schnelles Erwärmen)
im Vergleich zur Literatur sehr groß sein. Außerdem können vorhandene Farbstoffe bzw.
andere Komponenten wie z.B. Weichmacher die Ergebnisse variieren lassen und darum ein
eher heterogenes Bild erzeugen. Damit sollen die Schüler aber auch lernen ihre
Beobachtungen zu differenzieren bzw. ihren Aussagegehalt zu relativieren. Das Arbeiten im
Labor bietet den Schülern allgemein die Möglichkeit experimentelle Grundfertigkeiten zu
erwerben bzw. auszuweiten. Wie verschiedene Studien belegt haben, ist der praktisch erlebte
Chemieunterricht für Schüler (und besonders Mädchen) sehr motivierend sich mit der
Chemie und dem Chemieunterricht weiter zu befassen.
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Arbeitsblatt: Eigenschaften von Kunststoffen
Nr. Kunststoff-Probe Schmelz-bereich(°C)
Lit. Dichte (Wasser) schwimmt?
Dichte (Kochsalz) schwimmt?
Dichte (Natrium-thiosulfat) schwimmt?
Lösemittel- beständigkeit Essigsäure-ethylester
Brennbarkeit Ja / Nein (Verbrennen)
Schwelprobe Reaktion der Dämpfe (Verschwelen)
Bruchverhalten
1 Bläschenfolie Polyethylen PE
PE
2 Kinderüberraschungsei grüne Verpackung Polypropylen PP
PP
3 Schlauch Plastikrohr Plastikvinylchlorid PVC
PVC
4 Nylonstrumpf Polyamid PA
PA
5 Joghurtbecher Polystyrol PS
PS
6 CD Scheibe Polycarbonat PC
PC
7 Zahnpastatube ??
8 Getränkeflasche PET
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3.1.2 Beschreibung der Stationen:
Schmelzbereich von Thermoplasten: Die Kunststoffproben werden in Reagenzgläsern in
einem Ölbad erhitzt bis sie anfangen zu schmelzen. Aufgrund der uneinheitlichen
Molekülgröße gibt es keinen definierten Schmelzpunkt, sondern einen Schmelzbereich.
Dabei spielt die Geschwindigkeit der Erwärmung mit eine Rolle. Erfolgt keine langsame
Erwärmung, dann fällt der Schmelzbereich versuchsbedingt höher aus, als er tatsächlich ist.
Verbrennen (Brennbarkeit): Durch die z.T. gesundheitsschädlichen Verbrennungsgase
erfolgen die Arbeiten unter dem Abzug. Die Kunststoffproben werden über einem
Bunsenbrenner verbrannt. Die Schüler sollen auf folgende mögliche Erscheinungen achten:
Entzündung, Brennen, Erlöschen außerhalb der Flamme, Weiterbrennen außerhalb der
Flamme, Abtropfen, Dämpfe, Rauchbildung, Rußbildung, Farbe der Flamme.
Verschwelen (Schwelprobe: Reaktion der Dämpfe) : Verschwelung ist das trockene Erhitzen
fester Stoffe, bei der (flüchtige) Zersetzungsprodukte entstehen. Meist entstehen
gesundheitsschädliche Schwelgase. Durch Indikatorpapier können saure oder alkalische
Eigenschaften dieser Reaktionsprodukte festgestellt werden.
Löseverhalten (Lösemittelbeständigkeit): Die Beständigkeit gegenüber verschiedenen
Lösemitteln bzw. Chemikalien wird hier anhand der oberflächlichen Behandlung mit
Essigsäureethylester exemplarisch untersucht. Alternativ wäre eine Behandlung mit Säuren
oder Laugen möglich.
Dichtebestimmung: Durch eine Schwimmprobe in Wasser und gesättigten Salzlösungen
unterschiedlicher Dichte (NaCl / Na2S203) wird die Zuteilung zu bestimmten Dichtegruppen
möglich. Beimischungen von Farbpigmenten und Füllmaterial können die Messergebnisse
jedoch verfälschen.
Bruchverhalten: Hier geht es weniger um die chemische Untersuchung als vielmehr darum
die Unterschiede bei der Werkstoffbearbeitung bzw. den physischen Eigenschaften vor
Augen zu führen und fühlbar zu machen.
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3.1.3 Auswertung der Versuchsergebnisse:
Welcher Kunststoff ist das? - Aus welcher Kunststoffart bestehen die Materialproben ?
Nach der Durchführung der Versuchsreihen werden die Ergebnisse aller 6 Gruppen vor der
gesamten Klasse gesammelt und besprochen. Die gemachten Beobachtungen und Daten
werden am Over-Head-Projektor zusammengetragen und in das leere Arbeitsblatt
übertragen. Auf diese Art werden die Informationen, die die einzelnen Schülergruppen
gewonnen haben der gesamten Klasse vor Augen geführt und das unterschiedliche und z.T.
auch widersprüchliche Verhalten der Kunststoffklassen deutlich. Bei der Besprechung und
Auswertung der Schülerversuche ergibt sich das heterogene Bild der Beobachtungen. Es
wird nun daraufhin untersucht, in wie weit es möglich ist die Kunststoffe zu differenzieren
und bestimmten Kunststoffklassen zu zu ordnen (s. untenstehende Tabelle mit gelben
Feldern).
Es gibt bestimmte Eigenschaften die es ermöglichen die unterschiedlichen Kunststoffproben
zu differenzieren. So zeigt Polyethylen (Nr.2 + Nr.4) einen kerzenwachsartigen Geruch
beim Verbrennen. Die Schwelproben bei PVC (Nr.3) und Polycarbonat (ohne Nr.) zeigen
saure Reaktionen, das Schwimmverhalten ermöglicht die weitere Differenzierung. Polyamid
(ohne Nr. ) zeigt eine alkalische Reaktion und den Geruch von verbranntem Haar. Polystyrol
(Nr. 6) schwimmt nicht in Wasser aber in den anderen Salzlösungen. Polypropylen (Nr. 5)
ist härter als Polyethylen. Es ist möglich Kunststoffe voneinander zu unterscheiden, aber es
ist nicht so leicht.
Bei der Besprechung der Beobachtungen bietet sich auch die Gelegenheit einen Bezug
zwischen dem chemischen Verhalten und den Verwendungszwecken im Alltag herzustellen.
So müssen Getränkeflaschen leicht und unzerbrechlich, außerdem auch noch gegen
bestimmte Flüssigkeiten beständig sein. Dass bestimmte Kunststoffe leichter als Wasser
sind, ist sowohl beim Wassersport wie bei der Trennung beim Recycling wichtig. Die
Tatsache, dass Kunststoffe brennbar sind erfordert auch im Haushalt und besonders in der
Küche Vorsicht (Herdplatte!). Die Übertragung experimentell gemachter Beobachtungen auf
Alltagssituationen vertieft das erworbene Wissen.
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Arbeitsblatt: Eigenschaften von Kunststoffen
Nr. Kunststoff-Probe Schmelz-bereich(°C)
Lit. Dichte (Wasser) schwimmt?
Dichte (Kochsalz) schwimmt?
Dichte (Natrium-thiosulfat) schwimmt?
Lösemittel- beständigkeit Essigsäure-ethylester
Brennbarkeit Ja / Nein (Verbrennen)
Schwelprobe Reaktion der Dämpfe (Verschwelen)
Bruchverhalten
1 Bläschenfolie Polyethylen PE
PE 120°C ! - schwimmt - bläulich gelb, tropfend, Kerzenwachsgeruch
neutral elastisch, biegsam
2 Kinderüberraschungsei grüne Verpackung Polypropylen PP
PP > 150°C - - schwimmt - brennend, gelbe Flamme, stark rußend, topfend
weißer Rauch, neutral
hart, zerbrechlich
3 Schlauch Plastikrohr Plastikvinylchlorid PVC
PVC 100°C ! + schwerer + schwerer + schwerer + weich nicht weiter brennend, gelbe Flamme mit grünem Saum, weißer Rauch
sauer ! hart, zerbrechlich
4 Nylonstrumpf Polyamid PA
PA > 150°C ! - schwimmt - ohne Flamme, Geruch von verbranntem Haar
alkalisch ! elastisch, unzerbrechlich
5 Joghurtbecher Polystyrol PS
PS 130°C ! + schwerer - schwimmt - schwimmt + Wellung brennend, gelbe Flamme, stark rußend, topfend
weißer Rauch, Geruch wie Bastelladen, neutral
hart, zerbrechlich
6 CD Scheibe Polycarbonat PC
PC > 150°C ! + schwerer + schwerer + schwerer + rauhe farblich
veränderte Oberfläche
brennend, gelbe Flamme, stark rußend, topfend
sauer ! hart, zerbrechlich
7 Zahnpastatube ?? ?? 120°C - schwimmt - weiter brennend, nicht rußend, weißer Rauch
weißer Rauch, neutral
hart, zerbrechlich
8 ???????????? ??
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Daran schließt sich die Einteilung der Kunststoffe in sechs Kunststoffklassen an (s. Folie 1,
Quelle: Kunststoffe im Alltag und im Unterricht, experimentelle Fortbildungsveranstaltung des
Chemielehrerfortbildungszentrums, Dortmund, März 2006 ). Von der Ziffer des Recycling-
Symbols gelangt man im nächsten Schritt zur Benennung der Kunststoffarten: PET,
Polyethylen (HD/LD), Polyvinylchlorid, Polypropylen und Polystyrol. Anhand
charakeristischer Materialeigenschaften erfolgt also vom Phänomen her die Unterscheidung der
vorliegenden Kunststoffe. Die Beschränkung auf nur wenige Kunststoffklassen und
Materialproben ist eine sinnvolle Maßnahme. Aufgrund der komplexen und vielschichtigen
Kunststoffchemie ist die didaktische Reduktion auf einige exemplarische Untersuchungen
unerläßlich.
3.2 Elementaranalyse: Woraus bestehen eigentlich Kunststoffe? (3. Stunde)
Nach der Untersuchung der chemischen Eigenschaften soll durch die qualitative
Elementaranalyse einer Kunststoffprobe die chemische Zusammensetzung eines einfachen
Kohlenwasserstoff-Kunststoffes ermittelt werden. Dieser vom Lehrer durchgeführte
Demonstrationsversuch soll auf die Frage aus welchen Elementen Kunststoffverbindungen
eigentlich bestehen eine Antwort bringen. Der Einfachheit halber werden nur polyethylen- bzw.
polypropylenhaltige Kunststoffe untersucht, um im ersten Schritt die einfache
Zusammensetzung der Kunststoffe aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen aufzuzeigen.
Die Schüler haben in ihren Versuchen bereits erkannt, dass sich Kunststoffe bei starkem
Erhitzen schwarz verfärben und manchmal auch Ruß entsteht. Außer der Rußbildung weisen
auch der Kerzenwachsgeruch und der Geruch nach verbranntem Haar auf organische
Substanzen hin und damit auf das Vorhandensein des Elementes Kohlenstoff. Außerdem
wissen sie vielleicht schon von der Verbrennung von organischen Substanzen, dass dabei die
Verbrennungsprodukte CO2 und H2O entstehen.
Versuchsapparatur der Elementaranalyse
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Die Versuch sieht die Verbrennung der Kunststoffprobe zusammen mit dem Oxidationsmittel
Kupfer(II)oxid in der oben stehenden Apparatur vor. Die bei der Verbrennung in der Apparatur
entstehenden Gase werden mit Kalkwasser und Cobaltchlorit-Papier genauer untersucht. Eine
zerriebene Kunststoffprobe wird in ein Porzellanschiffchen gegeben und mit schwarzem
Kupfer(II)oxid-Pulver vermischt. Diese Probe wird in ein Verbrennungsrohr geschoben und
dann erhitzt. Die Verwendung des Kupferoxids hat zwei Funktionen:
Zum einen ist es der Sauerstofflieferant für die Oxidation der Kunststoffe (Oxidationsmittel),
da nicht alle Kunststoffproben mit dem Luftsauerstoff reagieren und zum anderen dient es der
Vermeidung größerer Rußbildung und Geruchsbelästigung. Es bildet sich bei der Verbrennung
ein weißer Nebel und die entstehenden Gase werden mit Hilfe der Wasserstrahlpumpe durch
die gesamte Apparatur gesogen. Das Kalkwasser in der Gaswaschflasche trübt sich und die
Glaswände der gesamten Apparatur beschlagen (Kondenswasser).
Um den Nachweis für die Bildung von Wasser zu erbringen gibt es zwei unterschiedliche
Wege: Man kann ein U-Rohr zwischenschalten in dem sich wasserfreies, weißes Kupfersulfat
befindet bzw. ein einfaches Glasrohr verwenden, in das ein Stück wasserfreies Cobaltchlorid-
Papier hineingesteckt wird. In beiden Fällen sollte die Innenwand beschlagen (kondensierte
Flüssigkeit). Durch die Verfärbung der Nachweisreagenzien ist so der Nachweis für Wasser
möglich.
Die Kunststoffprobe zersetzt sich bei ihrer Verbrennung zu CO2 und H2O unter Reduktion von
Kupfer(II)oxid zu Kupfer und Kupfer(I)oxid. Der CO2 Nachweis wird in der Gaswaschflasche
unter Ausfällung von CaCO3 erbracht. Der Nachweis von H2O erfolgt mittels blauem
Cobaltchlorid-Papier, das sich rosa verfärbt. Die Redoxvorgänge im Porzellanschiffchen
werden dadurch deutlich, dass das schwarze Kupfer(II)oxid-Pulver durch Reduktion zu rotem
Kupfer bzw. rotbraunem Cu2O umgesetzt wird. Aus Gründen der Vollständigkeit sei erwähnt,
dass eine Blindprobe ohne Kunststoff im Anschluß daran durchzuführen wäre. Eine weitere
Ergänzung zu dieser Untersuchung wäre auch die Beilsteinprobe bei PVC und dem damit
verbundenen Nachweis von Chlor durch die grüne Flammenfärbung eines mit geschmolzenem
PVC überzogenen Kupferblechstreifens.
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3.3 Theoretische Betrachtungen zum Aufbau von Kunststoffen (4. Stunde)
Nach dem überwiegend praktischen Teil der ersten drei Stunden kommt in den letzten zwei
Unterrichtsstunden die theoretische Betrachtung der Kunststoffe hinzu. Die Schüler haben in
den vorangegangenen Stunden das breite Spektrum der unterschiedlichen physikalischen und
chemischen Eigenschaften von Kunststoffen im Schülerexperiment kennen gelernt und sind
mittels der Elementaranalyse im Lehrerexperiment mit den Hauptbestandteilen von
Kunstsoffen, die Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff, vertraut gemacht worden. In der
folgenden Unterrichtssequenz soll nun auf den allgemeinen mikroskopischen Aufbau auf
Molekülebene, sowie die daraus resultierenden makroskopischen Eigenschaften eingegangen
werden.
Das Vorliegen von Makromolekülen wird gesetzt. Der Begriff ,,Polymere” wird eingeführt. Sie
sind aus Monomeren, kleinen Struktureinheiten aufgebaut. Der Einfachheit halber und zum
besseren Verständnis der Schüler, wird dies am Beispiel der Polymerisation von Alkenen und
deren Derivaten erklärt. Diese Ausgangsstoffe werden unter Aufbrechen der Doppelbindung in
den einzelnen Molekülen zu theoretischen unendlich langen Molekülketten neu verknüpft. Auf
die Darstellung der zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen wie Startreaktion mit Hilfe von
Radikalen, Ionen u.A., sowie Kettenreaktion, Abbruchreaktion wird verzichtet. Auch andere
Synthesemechanismen, wie Polyaddition und Polykondensation, werden der Einfachheit halber
nicht erwähnt. Das Verständnis der Prinzipien soll durch diese didaktische Reduktion
erleichtert werden. Die fachlichen Einzelheiten der komplexen Kunststoffchemie werden
bewußt weg gelassen. Je nach Jahrgangsstufe und Vorbildung können diese Mechanismen aber
auch prinzipiell mit einbezogen bzw. später aufgeführt werden.
Es wird zunächst der einfachste Ausgangsstoff für die Synthese von Kunststoffen in Betracht
gezogen: Ethen. Durch Polymerisation entsteht hieraus Polyethylen. Der molekulare Aufbau
dieses Polymers wird vorgestellt und die Herstellung dieses Kunststoffes durch
Hintereinanderverknüpfung unzähliger Monomere verdeutlicht. Die Vielfalt der Kunststoffe
wird schnell ersichtlich, wenn durch partielle Substitution die Wasserstoff-Atome des Ethens
durch andere Gruppierungen ersetzt werden (s. Folie 2). Schon am Beispiel der Polymerisation
von Alkenderivaten ist aufgrund der schier unbegrenzten Möglichkeiten zum Einsatz
kommender unterschiedlicher Monomere und deren Gemischen, die resultierende Bandbreite
möglicher Kunststoffprodukte leicht ersichtlich.
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Der nächste Schritt zur Erläuterung der Stoffeigenschaften von Kunststoffen besteht darin, die
Wechselwirkungen innerhalb der Stoffe auf Molekülebene zu betrachten (s. Folie 3). Bei den
zuvor eingeführten Kunststoffen auf der Basis von Alkenderivaten, besteht das Produkt aus
langen, mehr oder weniger regelmäßig nebeneinander bis verknäuelt vorliegenden
Molekülketten, die über die schwachen Van-der-Waals-Kräfte zusammen gehalten werden.
Damit sind diese Ketten recht leicht gegeneinander verschiebbar. Die makroskopischen
Eigenschaften, wie Schmelzbarkeit, Elastizität, relative Weichheit usw., sind ersichtlich. Sind
die einzelnen Ketten dagegen über chemische Bindungen miteinander verknüpft und bilden ein
dreidimensionales, starres Netz, so ergeben sich andere mikroskopische Strukturen. Die daraus
resultierenden veränderten makroskopischen Eigenschaften wie: nicht verformbar, nicht
schmelzbar und stattdessen die Zersetzung bei höheren Temperaturen lassen sich so erklären.
Ganz allgemein wird die unendlich große Variabilität bei den Kunststoffen verständlich, wenn
man die vielfältigen Ausgangsstoffe und Verknüpfungsmöglichkeiten berücksichtigt.
Unterschiedliche Edukte (Monomere mit unterschiedlichen Substituenten), unterschiedliche
Polymerisationssequenzen und unterschiedliche Grade an dreidimensionaler Verzweigung
ergeben die unterschiedlichesten polymeren Strukturen und Kunststoffe. Der
Kunststoffchemiker ist in der Lage durch Ausnutzung dieser Faktoren gezielt Kunststoffe zu
kreieren.
Den Schülern soll die molekulare Ebene der Kunststoffe in ihren Prinzipien näher gebracht
werden, ohne auf die chemischen Reaktionstypen und Reaktionspartner einzugehen. Vielmehr
soll das Grundsätzliche verdeutlicht werden. Die Betrachtung linearer und verzweigter
Strukturen leitet dann über zu der Klassifizierung von Kunststoffen in Thermoplasten,
Duroplasten und Elastomere (s. Folie 4). Die Eigenschaften der Thermoplasten wurden in den
Schülerversuchen verdeutlicht. Die Erklärung für dieses chemische Verhalten erfolgt, wenn
man die fadenförmige Struktur der Polymere berücksichtigt.
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3.3.1 Kunststoff-Synthese
Um das hinter der Kunststoff-Synthese stehende Prinzip den Schülern näher zu bringen werden
vom Lehrer verschiedene Experimente durchgeführt, bei denen aus flüssigen, homogenen
Substanzen neuartige, polymere Stoffe entstehen. Es bietet sich hier an den Polyurethan-
Versuch und den Polyamid-Versuch vorzuführen. In beiden Fällen handelt es sich neben der
radikalischen Polymerisation von Polyethen um weitere Mechanismen der Polymerisation.
Der sehr einfache Versuch der Polyurethan-Synthese - als Beispiel für eine Polyaddition -
durch Zusammengießen von Desmophen (Di- oder Polyol) und Desmodur (Di- oder
Polyisocyanat) kann auch außerhalb des Abzugs durchgeführt werden und hat einen
spektakulären Effekt, da in wenigen Minuten aus sehr geringen Mengen (fingerbreite Schicht in
einem Plastikbecher) ein harter Schaumpilz entsteht. Dieser lufthaltiger Schaumstoff
(Wärmedämmstoff) kann aufgeschnitten werden und die lockere Innenstruktur nach dem
schnellen Aushärten aufgezeigt werden. Das Aufschäumen läßt sich auf die CO2-Entwicklung
in einer der Zwischenschritte der räumlichen Verkettungsreaktionen zurückführen, die aber
experimentell nicht so leicht nachweisbar ist.
Quelle: Kunststoffe im Alltag und im Unterricht, experimentelle Fortbildungsveranstaltung des
Chemielehrerfortbildungszentrums, Dortmund, März 2006
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Ein anderer Versuch ist die Synthese eines Nylon-Fadens durch Polykondensation. Hierbei
werden zwei Flüssigkeiten vorsichtig übereinander geschichtet. An der Grenzfläche bildet sich
ein Grenzfilm aus Nylon, der mit einem Glasstab herausgezogen werden kann und so einen
Nylonfaden ergibt. An der Grenzfläche reagieren Adipinsäuredichlorid oder alternativ
Sebacinsäurechlorid und Diaminohexan zu einem Polyamid, das nach Entfernung aus der
Grenzfläche, durch neues nachgebildetes Amid ergänzt, einen langen Faden ergeben kann. Da
die Stoffe gesundheitsschädlich sind, ist aber das Arbeiten unter dem Abzug unerlässlich. In
einem möglichst breiten Glasgefäß (Wandberührung beim Fadenziehen vermeiden!) wird 1 g
Adipinsäuredichlorid in 25 ml Tetrachlormethan bzw. Heptan gelöst. Diese Lösung wird
vorsichtig mit einer Lösung von 1,5 g Hexamethylendiamin und 0,25 g Natriumcarbonat in 25
ml Wasser überschichtet. Der sich bildende Grenzflächenfilm wird als Faden auf einem
Glasstab aufgewickelt. Die bei dieser Polymerisation anfallende Salzsäure bzw.
Chlorwasserstoff wird in der alkalischen Na2CO3-Lösung neutralisiert. Es entsteht Nylon-6,6
(Adipinsäuredichlorid) bzw. Nylon-6,10 (Sebacinsäuredichlorid) als Polymer.
Quelle: Kunststoffe im Alltag und im Unterricht, experimentelle Fortbildungsveranstaltung des
Chemielehrerfortbildungszentrums, Dortmund, März 2006
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3.4 Zusammenfang (5.Stunde)
In der letzten Stunde werden dann noch einmal alle Ergebnisse zusammengetragen und der
Überblick angestrebt (s. Arbeitsblatt im Anhang, Seite 32). Dieser Teil dient der
Wissenssicherung und soll den Erkenntnisweg noch einmal verdeutlichen: Von der Ziffer des
Recycling-Symbols gelangt man zum Kunststoffnamen und weiter zum Polymer-Monomer
Begriffspaar. Die theoretische Herleitung der Polymerisation und das Phänomen der
Kunststoff-Synthese runden das Bild schließlich ab. Vertiefende Betrachtungen zum
Umweltschutz, Recycling, Verwertung nachwachsender Rohstoffe bzw. die Abhängigkeit vom
Erdöl bieten sich weiter an.
Die Schüler haben erfahren, dass bei der Verbrennung von Kunststoffen übel riechende
Schadstoffe entstehen können. Die einfache Müllverbrennung kunststoffhaltiger
Haushaltsartikel (z.B. Verpackungsmaterialien) ist darum keine umweltschonende Lösung um
das Problem großer Müllberge an Kunststoffen zu beseitigen. Stattdessen bietet es sich an
durch das umweltschonende Recycling von Kunststoffen diesen Rohstoff wieder zu verwerten.
Mehr Umweltbewußtsein ist ein wünschenswertes Ziel dieser Unterrichtseinheit und des
Chemieunterrichts im Allgemeinen. Die Jugendlichen können ein neues Verständnis für ihre
Alltagswirklichkeit gewinnen und durch den Alltagsbezug des Chemieunterricht das im
Unterricht erarbeitete Wissen in ihrer Lebenswirklichkeit einbringen und anwenden.
4. Laborgeräte und Chemikalien:
Stationenlernen: Heizplatte, Stativ mit Muffen und Klemmen, 250ml Becherglas (Ölbad),
Silikonöl für Ölbad, Reagenzgläser, Thermometer, Tiegelzange, Bunsenbrenner, Metallplatte
als Unterlage, Plastikpipette, Essigsäureethylester, 3 Bechergläser (100ml), Natriumchlorid,
Natriumthiosulfat, Watte
Elementaranalyse:
Porzellanschiffchen, Reaktionsrohr, 1 Glasrohr oder alternativ U-Rohr mit 2 Stopfen,
Gaswaschflasche, Wasserstrahlpumpe und schwarzes Kupferoxid-Pulver, 200ml Kalkwasser,
wasserfreies Kupfersulfat bzw. blaues Kobaltdichlorid-Papier
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Polyurthan-Versuch: Desmodur + Desmophen
Nylon-Faden-Versuch: großes flaches Glas, 1g Adipinsäuredichlorid (flüssig) o.
Sebaninsäuredichlorid (Aufbewahrung im Kühlschrank), 25ml Tetrachlorethylen, 1,5 g
Hexamethylendiamin, 0,25g Natriumcarbonat
Nylonfaden-Versuch:
großes, flaches Becherglas, 1g Adipinsäuredichlorid, 25 ml Tetrachlormethan, 1,5 g
Hexamethylendiamin, 0,25 g Na2CO3.
5. Literaturverzeichnis
- Kunststoffe im Alltag und im Unterricht der Sekundarstufen I und II.
experimentelle Fortbildungsveranstaltung des Chemielehrerfortbildungszentrums
Dortmund, März 2006
- Chemie Heute Sek I. Schroedel Schulbuchverlag 1993 (S. 306-323)
- Chemie SII Stoff-Formel-Umwelt. Tausch, von Wachtendonk 1993 (S. 337-350) * GC 68
- Elemente Chemie II. Wolff, Ernst-Klett Schulbuchverlag 1993, 1. Auflage (S. 229-238) * GC 51
- Chemie für die Sekundarstufe II. Flörke (S. 243-260) * GC 59
- Lehrbuch der Chemie für Gymnasien. Lüdje Gall Reuber, Otto Salle Verlag (S. 360-374) * GC 20
* Lehrbuchsammlung
http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/plaste/index.html (© 2004 Dietmar Bach und Rüdiger Blume; 10.4.2007)
http://www.seilnacht.tuttlingen.com/ (Medien> Folien> Polymere und Kunststoffe) (Thomas Seilnacht, Rosenweg 7, CH-3007 Bern; 10.6.2007) http://www.seilnacht.com/Lexikon/polymere.html (Thomas Seilnacht, Rosenweg 7, CH-3007 Bern; 10.6.2007)
http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/kunststoffe/index.htm (Didaktik der Chemie an der FU Berlin, Institut für Chemie, Takustr. 3, 14195 Berlin; 10.6.2007)
http://www.leverkusen.bayer.de/index.cfm?PAGE_ID=504 (Copyright Bayer Industry Services GmbH & Co. OHG, Leverkusen; 10.6.2007) http://www.chemie.uni-dortmund.de/groups/melle/Links_Kunststoffe.html (Chemielehrerfortbildungszentrum DORTMUND, Universität Dortmund, Fachbereich Chemie, Otto-Hahn Str. 6, 44221 Dortmund; 10.6.2007)
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Folie 1
Quelle: Kunststoffe im Alltag und im Unterricht, experimentelle Fortbildungsveranstaltung des
Chemielehrerfortbildungszentrums, Dortmund, März 2006
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Folie 2
Synthese von Kunststoffen
Kunststoffe bestehen aus Makromolekülen, die sich aus kleinen Bausteinen zusammensetzen, den Monomeren.
Quelle: http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/plaste/index.html
Aus der Vielzahl der einsetzbaren unterschiedlichen Monomeren ergibt sich die Vielzahl der Kunststoffe
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Folie 3
Aufbau der Kunststoffe Die Moleküle des Kunststoffes können auf verschiedene Weisen miteinander wechselwirken oder verbunden sein. Dies bestimmt die Eigenschaften des einzelnen Kunststoffes. Lange, verknäulte Ketten
Zusammenhalt der einzelnen Ketten über van-der-Waals-Kräfte. Eigenschaften: schmelzbar elastisch relativ weich Miteinander verknüpfte Ketten
Zusammenhalt der Ketten über chemische Bindungen. Eigenschaften: nicht schmelzbar; Zersetzung bei hohen Temperaturen nicht verformbar hart Durch Variation der Monomere lassen sich die Eigenschaften des Kunststoffes gezielt bestimmen.
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Folie 4
Aufgrund Ihrer Eigenschaften, die von dem mikroskopischen Aufbau bestimmt werden, werden Kunststoffe in drei Gruppen unterteilt:
Einteilung der Kunststoffe in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere
Quelle: http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/plaste/index.html
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Westfälische Wilhelms-Universität Münster FB 12: Institut für Didaktik der Chemie Seminar: Schulorientiertes Experimentieren Dozent: Prof. Dr. Harsch Referent: Christian Magin, Oliver Trey Wintersemester 2006/2007
Handout
Thema der Unterrichtsreihe:
Kunststoffe im Alltag Überblick: � Einführung � Stationenlernen (Schülerexperimente) � Elementaranalyse (Lehrer-Demonstrationsexperiment) � Synthese von Kunststoffen (Lehrer-Demonstrationsexperiment) � Aufbau der Kunststoffe � Einteilung der Kunststoffe Übersicht über die Stundenplanung: Ziel dieser Unterrichtsreihe ist es die Schüler durch selbsttätige experimentelle Untersuchungen von Kunststoffen an die chemischen Eigenschaften der Kunststoffe heran zu führen. - Die Kunststoffe sollen als Phänomen begriffen und als Werkstoff vorgestellt werden. - Die Schüler sollen lernen die verschiedenen Kunststoffarten experimentell zu unterscheiden. - Die Schüler bekommen die Aufgabe unbekannte Kunststoffproben zu identifizieren. - Die Schüler sollen die Vielseitigkeit der Kunststoffe kennen lernen und Kunststoffe einordnen. - Die Schüler sollen experimentelle Grundfertigkeiten erwerben. 1.Stunde Einstieg: Präsentation von Kunststoffen, Mind-Map (OHP / Tafel), Stationenlernen 2.Stunde Fortsetzung Stationenlernen und Zusammentragung der Beobachtungen (Auswertung) 3.Stunde Lehrerversuch Elementaranalyse 4.Stunde Synthese von Kunststoffen, Aufbau der Kunststoffe 5.Stunde Einteilung der Kunststoffe, Zusammentragen der Ergebnisse, Schlußfolgerungen, Ausblick Die Schüler untersuchen auf 6 Stationen folgende Eigenschaften verschiedener Kunststoffproben: - Station 1: Schmelzbereich von Thermoplasten - Station 2: Schwelprobe (Reaktion der Dämpfe) - Station 3: Brennbarkeit von Kunststoffen - Station 4: Lösungsmittelbeständigkeit - Station 5: Dichtebestimmung - Station 6: Bruchverhalten Nach der Untersuchung der chemischen Eigenschaften soll danach durch die qualitative Elementaranalyse einer Kunststoffprobe die chemische Zusammensetzung eines einfachen Kohlenwasserstoff-Kunststoffes erfolgen.
Im Anschluß daran werden die molekularen Strukturen, der grundsätzliche Aufbau der Kunststoffe und die Synthese in Grundzügen vorgestellt.
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SSttaattiioonn 11 Wir bestimmen den Schmelzbereich von Kunststoffen Viele Kunststoffe lassen sich in der Wärme leicht verformen. Sie sind thermoplastisch. Thermoplaste sind Kunststoffe, die durch Einwirkung von Wärme weich werden und sich dann verformen lassen. Nach dem Abkühlen erhärten sie zu einer neuen Form und behalten sie bei. Versuchsanleitung �
Geräte: Heizplatte (Magnetrührer), Magnetrührstäbchen, Stift, Becherglas (250 ml), Reagenzgläser, Schere, Thermometer (bis 150°C), Holzstäbchen, Schere, Schutzbrille �Chemikalien: Kunststoffproben
Durchführung: �
Schneide jeweils eine Kunststoffprobe mit einer kräftigen Schere in kleine Stücke (5 x 5 mm). �Gebe diese Stücke in jeweils ein Reagenzglas und beschrifte das Reagenzglas. �Ein Becherglas (250 ml) wird mit etwa 100 ml Silikonöl gefüllt und auf eine Heizplatte gestellt. �Stelle jedes Reagenzglas in das Ölbad. �Jetzt erwärme das Ölbad mit der Heizplatte und untersuche die Proben im Reagenzglas ab 90°C mit einem Holzstäbchen auf die Härte. Sobald die Kunststoffproben sich eindrücken lassen, ist der Schmelzbereich erreicht. Die Temperatur bei der der Kunststoff anfängt zu schmelzen liest du ab und trägst sie von jeder einzelnen Kunststoffprobe in die Tabelle ein. �Nach dem Abkühlen nimmst du alle Reagenzgläser aus dem Ölbad und stellst sie in den Reagenzglasständer für den nächsten Versuch: Verschwelungsversuch (Station 2).
Beobachtung: �
Was kannst du bei den einzelnen Kunststoffproben beobachten? Schreibe es auf. Trage deine Beobachtung in die Tabelle ein.
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SSttaattiioonn 22 Wir untersuchen die Kunststoffe beim Erhitzen (Verschwelung) Wenn man Kunststoffe trocken erhitzt entstehen flüchtige Zersetzungsprodukte. Dieses Verfahren nennt man Verschwelung. Dabei entstehen Schwelgase, die gesundheitlich bedenklich sein können. Aus diesem Grund sollen bei den Versuchen die Reagenzgläser durch Watte verschlossen werden um zu verhindern, dass die Dämpfe austreten können. Die Dämpfe werden dann auf ihre saure oder alkalische Reaktion untersucht. Versuchsanleitung: �
Geräte: Reagenzgläser, Reagenzglashalter, Gasbrenner, Watte, pH-Papier, Schutzbrille �Chemikalien: Kunststoffproben, dest. Wasser
Vorsicht Gasflamme Durchführung: �
Verwende die Reagenzgläser aus der Versuchsreihe von Station 1 mit den darin enthaltenen geschmolzenen Kunststoffproben. �Nimm einen 3 cm langen Streifen pH-Papier und befeuchte es an einem Ende mit ein paar Tropfen dest. Wasser. �Bilde einen Wattestopfen, der locker in die Reagenzglasöffnung passt und verschließe das Reagenzglas so, dass das Papier eingeklemmt wird. �Nun erhitze die Kunststoffprobe im Reagenzglas über der Gasbrenner-Flamme solange bis sich Dämpfe gebildet haben und das Reagenzglas gerade ausfüllen. �Der Inhalt der Reagenzgläser wird in den organischen Feststoffabfall-Behälter gegeben.
Beobachtung: �
Was kannst du bei den einzelnen Kunststoffproben beobachten? Schreibe es auf. Trage deine Beobachtung in die Tabelle ein.
pH 1-10
YP
EXRYP
EXR
YP
EXR
YP
EXR
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SSttaattiioonn 33 Wir untersuchen die Kunststoffe auf ihre Brennbarkeit Man kann manche unbekannte Kunststoffe bereits an ihrem Verhalten beim Entzünden unterscheiden. Alle Kunststoffe sind brennbar, zeigen aber unterschiedliche Erscheinungen. Wenn man sie vorsichtig erhitzt und verbrennt ist es möglich diese einzelnen Phänomene zu erkennen. Zu starkes Erhitzen führt zur schnellen Zerstörung des Kunststoffes. Bei der Beobachtung des Verbrennungsvorgangs kann man dies alles unterscheiden: Entzündung – Brennen – Erlöschen oder Weiterbrennen außerhalb der Flamme – Abtropfen – Dämpfe – Rauchbildung – Rußbildung – Farbe der Flamme.
Versuchsanleitung: �
Geräte: Gasbrenner, Tiegelzange, Stativ, Muffe und Klemme, Metallplatte, Schüssel mit Wasser, Schutzbrille �Chemikalien: Kunststoffproben
Vorsicht Gasflamme Arbeiten unter dem Abzug Durchführung: �
Um zu verhindern, dass die verbrennende Kunststoffprobe in den Gasbrenner tropft und ihn verschmutzt, wird der Gasbrenner mit Hilfe des Stativmaterials schief eingespannt. Da bei der Verbrennung gesundheitsschädliche Gase entstehen können, wird alles unter dem Abzug aufgebaut. Als Schutzunterlage wird eine Metallplatte unter den Brenner gelegt. �Dann hälst du ein kleines Stück Kunststoffprobe mit der Tiegelzange in die nicht leuchtende Flamme des Gasbrenners. �Falls die Probe brennt, nimmst du sie aus der Flamme, um festzustellen, ob das Material auch außerhalb der Flamme brennt. �Um die brennende Kunststoffprobe zu löschen tauche sie in eine mit Wasser gefüllte Schüssel und entsorgst die Reste dann im organischen Feststoffabfallbehälter.
Beobachtung: �
Was kannst du bei den einzelnen Kunststoffproben beobachten? Schreibe es auf. Trage deine Beobachtung in die Tabelle ein.
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SSttaattiioonn 44 Wir untersuchen das Verhalten der Kunststoffe gegenüber Lösungsmitteln Kunststoffe haben viele sehr praktische Eigenschaften. Sie gehören z.B. zu den leichtesten Werkstoffen und sind in den verschiedensten Lebensbereichen einsetzbar. Da sie mit vielen Chemikalien und Lösungsmitteln in Berührung kommen ist es wichtig, dass sie gegenüber diesen Stoffen beständig sind und sich nicht auflösen. Um die Kunststoffproben auf diese chemische Eigenschaft hin zu untersuchen und zu unterscheiden werden sie gegenüber einem bestimmten Lösemittel wie z.B. Essigsäureethylester geprüft (man kann die Kunststoffe auch auf Säuren oder Laugen hin testen).
Versuchsanleitung: �
Geräte: Tropfpipette, Spatel, Papiertuch, Schutzbrille �Chemikalien: Essigsäureethylester
Durchführung: �
Man gibt einen Tropfen des Lösemittels auf jeweils eine Kunststoffprobe und läßt die Flüssigkeit 60 Sekunden einwirken. �Dann wischt man den Rest des Lösemittels mit einem Papiertuch ab und untersucht die Oberfläche der Probe mit einem Spatel.
Beobachtung: �
Was kannst du bei den einzelnen Kunststoffproben beobachten? Schreibe es auf. Trage deine Beobachtung in die Tabelle ein.
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SSttaattiioonn 55 Wir bestimmen die Dichte der Kunststoffproben Eine weitere spezifische Kenngröße von Stoffen ist ihre Dichte. Man kann die Kunststoffproben aufgrund der Dichte in unterschiedliche Dichtegruppen einteilen und dadurch unterscheiden. Eine einfache Untersuchung macht man durch eine Schwimmprobe in Lösungen unterschiedlicher Dichte. Wasser hat eine Dichte von 1 g/cm3 und alle Stoffe, die auf Wasser schwimmen, haben eine Dichte, die kleiner ist als 1 g/cm3. Man kann die Dichte des Wassers dadurch erhöhen, dass man nach und nach Kochsalz, oder andere lösliche Stoffe hinzugibt. So hat eine Kochsalzlösung einer bestimmten Konzentration z.B. eine Dichte von 1,17 g/cm3 und eine Natriumthiosulfatlösung einer bestimmten Konzentration eine Dichte von 1,37 g/cm3. Man kann also die verschiedenen Kunststoffproben dadurch unterscheiden, dass man sie auf ihre Schwimmeigenschaft hin untersucht. Versuchsanleitung: �
Geräte: Glasschalen, 3 Bechergläser (100 ml) mit den vorbereiteten Lösungen, Schere �Chemikalien: 50 ml Wasser 50 ml Kochsalzlösung (10 g Natriumchlorid und 50 ml Wasser ) 50 ml Natriumthiosulfatlösung (20 g Natriumthiosulfat und 50 ml Wasser)
Durchführung: �
Die 3 Becherngläser werden mit den 3 verschiedenen Lösung unterschiedlicher Dichte gefüllt. �Dann schneidest du kleine, gleich große Stückchen der Kunststoffproben aus und gibst sie zunächst in das Becherglas mit dem Wasser. �Falls die Probe untergeht, trockne sie ab und gebe sie in die Kochsalzlösung. �Falls die Probe auch hier untergeht, spüle die Probe kurz unter fließendem Wasser ab, trockne sie wieder ab und gebe sie schließlich in die Natriumthiosulfatlösung. �Achte vor allem darauf, dass keine Luftblasen an den Probestücken haften.
Wasser Kochsalz-Lösung Natriumthiosulfat-Lösung Beobachtung: �
Was kannst du bei den einzelnen Kunststoffproben beobachten? Schreibe es auf. Trage deine Beobachtung in die Tabelle ein.
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SSttaattiioonn 66 Wir bestimmen das Bruchverhalten der Kunststoffproben Kunststoffe können weich, biegsam, elastisch, starr, hart oder spröde sein. Für manche Verwendungszwecke braucht man Kunststoffe mit besonderen mechanischen Eigenschaften und in anderen Fällen ist es notwendig, dass man die Kunststoff-Produkte nachträglich noch bearbeiten kann, z.B. durch Sägen, Feilen, Raspeln oder Bohren. Es gibt Kunststoffe, die werden bei ihrer Herstellung gleich in die endgültige Form gebracht und brauchen nicht mehr weiter bearbeitet zu werden, während andere Produkte bis zum Endzustand noch verschiedene Verarbeitungsprozesse durchlaufen müssen. �
Geräte: Kneifzange, Kombizange, Teppichmesser �Chemikalien: Kunststoffproben
Durchführung: �
Versuche einmal die Kunststoffproben mehrfach mit der Kneifzange zu knicken, zu zerreissen oder mit dem Teppichmesser zu zerschneiden.
Beobachtung: �
Was kannst du bei den einzelnen Kunststoffproben beobachten? Schreibe es auf. Trage deine Beobachtung in die Tabelle ein.
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AArrbbeeiittssbbllaatttt:: 1. Nenne mindestens 4 Verwendungsmöglichkeiten von Kunststoffen: 2. Kunststoffe lassen sich in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere einteilen. Wie ist die Struktur der Riesenmoleküle und welche Eigenschaften haben diese Stoffe? A) Thermoplaste Die Riesenmoleküle sind
Die Riesenmoleküle sind
Die Riesenmoleküle sind
3. Kunststoffe bestehen aus langen Makromolekülen. Was versteht man unter Polymerisation? 4. Wie verhalten sich Kunststoffe in der Flamme? Kunststoff Verhalten in der Flamme Polyethen (PE) Polypropen (PP)
Polystyrol (PS)
Polyvinylchlorid (PVC)
Polyamid (PA)
5. Was muss ich bei der Verwendung von Kunststoffe beachten? Was kann Kunststoffe zerstören?
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Arbeitsblatt: Eigenschaften von Kunststoffen
Nr. Kunststoff-Probe Schmelz-bereich(°C)
Lit. Dichte (Wasser) schwimmt?
Dichte (Kochsalz) schwimmt?
Dichte (Natrium-thiosulfat) schwimmt?
Lösemittel- beständigkeit Essigsäure-ethylester
Brennbarkeit Ja / Nein (Verbrennen)
Schwelprobe Reaktion der Dämpfe (Verschwelen)
Bruchverhalten
1 Bläschenfolie Polyethylen PE
PE
2 Kinderüberraschungsei grüne Verpackung Polypropylen PP
PP
3 Schlauch Plastikrohr Plastikvinylchlorid PVC
PVC
4 Nylonstrumpf Polyamid PA
PA
5 Joghurtbecher Polystyrol PS
PS
6 CD Scheibe Polycarbonat PC
PC
7 Zahnpastatube ??
8 Getränkeflasche PET
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Arbeitsblatt: Eigenschaften von Kunststoffen
Nr. Kunststoff-Probe Schmelz-bereich(°C)
Lit. Dichte (Wasser) schwimmt?
Dichte (Kochsalz) schwimmt?
Dichte (Natrium-thiosulfat) schwimmt?
Lösemittel- beständigkeit Essigsäure-ethylester
Brennbarkeit Ja / Nein (Verbrennen)
Schwelprobe Reaktion der Dämpfe (Verschwelen)
Bruchverhalten
1 Bläschenfolie Polyethylen PE
PE
2 Kinderüberraschungsei grüne Verpackung Polypropylen PP
PP
3 Schlauch Plastikrohr Plastikvinylchlorid PVC
PVC
4 Nylonstrumpf Polyamid PA
PA
5 Joghurtbecher Polystyrol PS
PS
6 CD Scheibe Polycarbonat PC
PC
7 Zahnpastatube ??
8 Getränkeflasche PET
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