Erklären Sie das Struktur-Eigenschaftskonzept am Beispiel von Polymeren und nenne die drei Polymer-Gruppen
- Konzept führt physikalische Eigenschaften auf chemische Strukturen zurück
- Eigenschaften sollen auf gesamte Verbindung zurückgeführt werden sowie Verknüpfungen, räumliche Anordnung und intramolekulare WW
- Polymere müssen von der kleinsten zur größten Einheit betrachtet werden, je nach Vernetzung unterschiedliche Eigenschaften
- in Makromolekülen sollten vor allem vorhandene Zwischenräume beachtet werden
- Thermoplasten, Elastomere, Duroplasten
Nennen Sie ein Beispielexperiment mit dem Struktur-Eigenschaftsbeziehungen erarbeitet werden können
Experiment mit Gummibändern (Verformbarkeit von Elastomeren)
- benötigt: Gummiband, Gewicht, Lineal und Föhn
Das Gummiband wird an ein sicher stehendes Stativ oder einen anderen stehenden Gegenstand befestigt und ein Gewicht wird angehängt. Der Anfangsabstand zwischen dem Gewicht und dem Untergrund wird gemessen und notiert. Nun wird das Gummiband mit Hilfe des Föhns erwärmt und erneut der Abstand gemessen. Nach dem Abkühlen des
Gummibandes wird der Abstand ein letztes Mal gemessen und mit den anderen Beobachtungen verglichen.
–> Das Gummiband zieht sich bei der Erwärmung zusammen und dehnt sich nach dem Abkühlen wieder aus.
Was sind Elastomere?
- bestehen aus linearen Makromolekülen, die durch eine Nachbehandlung mit Vernetzungsmitteln weitmaschig miteinander vernetzt sind und sie sind mehr und mehr miteinander verknäult
- durch Schwefelbrücken wird ein Aneinandervorbeigleiten verhindert
- die verknäulten Polymerketten machen das Material elastisch und verformbar bei äußerer Krafteinwirkung
- ohne die Einwirkung bevorzugen Elastomere ihre ursprüngliche Form
- Beispiele sind Gummibänder und Dichtungsringe
Was sind Duroplasten?
- hohe dreidimensionale Vernetzung der Polymerketten,
wodurch sie kaum quellbar sind und sich nach einem Aushärten nicht mehr verformen
lassen - kovalenten Bindungen lassen sich erst unter hohen Temperaturen aufspalten
- Beispiele sind nicht-leitende Formstücke und Schalterelemente
Was sind Thermoplasten?
- Thermoplasten sind verformbar und (teilweise) löslich
- thermische Verformbarkeit durch ihren Aufbau aus parallel zu einander angeordneten Makromolekülen, die sich gegeneinander verschieben lassen, wodurch eine Verformung in Quer- aber nicht in Längsrichtung möglich ist
- Beispiele: Nylon, PVC
Erkläre die Grundlagen des Modellexperimentes
- Modellexperimente werden eingesetzt, wenn Experimente der originalen Sachverhalte nicht zugänglich sind (zu teuer, zu komplizierte Handhabung)
- Kriteriengeleitete Definition:
Kriterium 1 - Bezug zum Experiment, es wird tatsächlich ein Experiment durchgeführt, Durchführung unter Nutzung der Fachmethoden:
1. Methoden zur Ermittlung von Stoffeigenschaften
2. Methoden zur Trennung von Stoffgemischen bis hin zum Reinstoffkonzept
3. Methoden der instrumentellen Analytik
4. Methoden, wie Analyse oder Synthese, auf der Basis der chemischen Reaktion
Kriterium 2: Bezug zum Original wird hergestellt, Experiment verfügt über originalen Zielbereich, Analogie zum Original, aber auch klare Abgrenzung, Modellexperiment ist Stellvertreter zum Originalexperiment
Kriterium 3: Bezug zum Modell wird hergestellt, Original wird materiell modelliert
Erkläre die Bestimmung des Modellierungsgrades von Modellexperimenten
- erlaubt eindeutige Aussagen über die Beziehung zwischen Modell und Original
- Je größer die Anzahl der modellierten Merkmale, desto höher der Modellierungsgrad
- Substanz: direkt an den Fachmethoden beteiligte Chemikalie
- Material: Baumaterial für die Konstruktion des materiellen Modells - nicht an den Fachmethoden beteiligt
- Fachmethodisch relevante Bedingung: Faktor, unter dem die Fachmethode des Modellexperiments angewandt wird
- Fachmethode: Klassifikation der Methode des Experimentierens
Erkläre zwei Modellexperimente
Modellexperiment A:
Dickflüssiges Paraffinöl wird durch Erhitzen an einem platinhaltigen Perlkatalysator zu einer flüssigen Leichtbenzinkomponente und einer brennbaren gasförmigen Komponente umgesetzt.
(A) Erfüllt alle drei Kriterien: ist ein Modellexperiment
→ eine Fachmethode (Verfahren auf der Basis einer chemischen Reaktion) wird angewendet
→ der originale Sachverhalt (Katalysatorwirkung) wird repräsentiert
→ das Original wird modelliert
Modellexperiment B:
Glaskapillaren werden zusammen mit Metallkugeln in ein stabiles Gefäß gegeben und ausdauernd geschüttelt.
Glaskapillaren → Kohlenwasserstoffanalogon
Metallkugeln → Katalysatoranalogon
Glaskapillaren → Crackprodukte
(B) Erfüllt nur die Kriterien 2 und 3: ist kein Modellexperiment
→ es kommt keine Fachmethode zum Einsatz
→ der originale Sachverhalt (Katalysatorwirkung) wird repräsentiert
→ das Original wird modelliert
Erkläre die Bestimmung des Modellierungsgrades für Modellexperiment (A)
- Modellsubstanz: Paraffinöl
- Materialien: Durchführung in einem schwer schmelzbaren Reagenzglas oder Quarzrohr statt Reaktor; Platinbeschichteter Perlkatalysator statt Zeolith-Katalysator
- Fachmethodisch relevante Bedingungen: Entsprechen im Wesentlichen den Originalbedingungen (ca. 500 °C und 1-20 bar); allerdings wird unter Luftdruck gearbeitet
- Fachmethode: Entspricht dem Original
➔ Merkmalskombination: MS (Modellsubstanz)/MM (Modellmaterial) /OB (Originalbedingungen) /OF (Originalfachmethode)
Nennen die Ziele mit dem Thema Kunststoffe im Chemieunterricht erreicht werden sollen
I) Das Thema Kunststoffe im Alltag hat das Ziel:
- die Eigenschaften von Polymeren mit der molekularen Struktur zu erklären und ihre praktische Verwendung zu konkretisieren.
- Kunststoffe, aufgrund ihrer Synthese, als Polymerisate, Polykondensate, oder Poly-addukte einzuordnen, und den Aufbau von Makromolekülen aus den Monomer-Bausteinen zu erklären.
- organische Reaktionen zu klassifizieren, also unterschiedliche Reaktionsschritte und Reaktionstypen zu analysieren und zu vergleichen, sowie chemische Sachverhalte und Erkenntnisse nach fachlichen Kriterien zu ordnen und zu strukturieren.
- Zusätzlich sollen Wege zur Herstellung von Alltagsprodukten aus ökonomischer und ökologischer Perspektive diskutiert und bewertet werden.
II) Das Thema Farbstoffe im Chemieunterricht:
- Energiestufenmodell wird zur Erklärung der Farbigkeit durch Lichtabsorption und Lichtemission eingesetzt
- theoretische Grundlage für Grundzustand und dem elektronisch angeregten Zustand (erklärt Farbentstehung)
- Zusammenhang zwischen Farbigkeit und Molekülstruktur wird klar (Mesomeriekonzept, elektrophile Substitution bei der Synthese von Farbstoffen und anderen technisch wichtigen Verbin-dungen sowie die Klassen von Farbstoffen und Färbeverfahren werden erklärt)
–> Anschließend soll eine verbindende Brücke zwischen Kunststoffen und Farbstoffen aufgebaut werden. Hierbei handelt es sich um die Erschließung von innovativen Materialien und Verfahren, bei denen die gesamten erworbenen Kenntnisse an Beispielen mit hohem Motivationspotential zur Anwendung, Vertiefung und Erweiterung eingesetzt werden.
