Abitraining Chemie Klausur Grundkurs 5
Thema: Ballistische Schutzwesten
Orientierungen zur Lösung
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Aufgabe 1: Geben Sie die Monomere sowie den Reaktionstyp der Synthese des Polyester-Präpolymers an. Erläutern Sie unter Angabe einer Reaktionsgleichung mit Strukturformeln die Bildungsreaktion des Polyester-Präpolymers und erklären Sie, wie sich diese zugunsten einer besseren Produktausbeute steuern lässt.
Teil 1) die Monomere sowie den Reaktionstyp der Synthese des Polyester-Präpolymers angeben:
Reaktionstyp: Veresterung, Substitutions- oder Additions-Eliminierungsreaktion
Teil 2) unter Angabe einer Reaktionsgleichung mit Strukturformeln die Bildungsreaktion
des Polyester-Präpolymers erläutern:
Eine Carboxygruppe des Maleinsäure-Moleküls reagiert mit einer Hydroxygruppe des Buten-1,4-diol-Moleküls. Dabei spaltet sich ein Wasser-Molekül ab und eine Estergruppe wird gebildet.
Teil 3) erklären, wie sich diese Reaktion zugunsten einer besseren Produktausbeute steuern lässt:
Die Veresterungsreaktion ist umkehrbar. Die Produkte und Edukte liegen im chemischen Gleichgewicht vor. Dieses Gleichgewicht kann durch die Veränderung der Stoffmengen von Produkten und Edukten im Reaktionsgemisch beeinflusst werden. Für eine bessere Produktausbeute kann beispielsweise das entstehenden Wassers entzogen werden.
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Aufgabe 2: Erklären Sie die einzelnen Reaktionsschritte der Bildung von Poly-α-methylstyrol aus α-Methylstyrol unter Zugabe eines organischen Peroxids. Geben Sie für diese Teilschritte Reaktionsschemata an. Begründen Sie den Einsatz des Copolymers aus α-Methylstyrol und dem Polyester-Präpolymer in Schutzwesten anstelle von Poly-α-methylstyrol.
Teil 1) die einzelnen Reaktionsschritte der Bildung von Poly-α-methylstyrol aus α-Methylstyrol unter Zugabe eines organischen Peroxids erklären:
1. Erzeugung von Startradikalen: Bildung von zwei Startradikalen durch homolytische Spaltung, z. B. eines organischen Peroxids (entweder durch Licht oder
durch einen Katalysator)
2. Kettenstart: Reaktion des Startradikals, z. B. mit einem α-Methylstyrol-Molekül
3. Kettenwachstum: wiederholte Reaktion des gebildeten Radikals mit einem α-Methylstyrol-Molekül
4. Kettenabbruch: Reaktion zweier Radikale zu einem Molekül, welches kein Radikal ist
Teil 2) den Einsatz des Copolymers aus α-Methylstyrol und dem Polyester-Präpolymer in Schutzwesten anstelle von Poly-α-methylstyrol begründen:
Poly-α-methylstyrol ist ein Thermoplast und kann schmelzen. Es ist daher als Polymer für die Matrix nicht geeignet.
Die zugesetzten Polyester-Präpolymer-Moleküle enthalten mehrere reaktive Doppelbindungen, sind also für die Polymerisation multifunktionale Moleküle.
Über diese Moleküle erfolgt eine Vernetzung des entstehenden Polymers.
Dadurch bildet sich ein Duroplast, der auch bei hohen Temperaturen nicht schmilzt oder weich wird und die Verstärkungsfaser fest einbindet.
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Aufgabe 3: Vergleichen Sie die zwischenmolekularen Wechselwirkungen im Polyaramid und im Hochleistungspolyethen mithilfe von geeigneten Strukturformelausschnitten. Erklären Sie, wie Verzweigungen in Polyethenketten die zwischenmolekularen Wechselwirkungen beeinflussen. Diskutieren Sie die Vorteile des FKV gegenüber einer ausschließlichen Verwendung von Verstärkungsfasern.
Teil 1) die zwischenmolekularen Wechselwirkungen im Polyaramid und im Hochleistungspolyethen mithilfe von geeigneten Strukturformelausschnitten vergleichen:
Strukturformelausschnitt Polyaramid:
Strukturformelausschnitt Polyethen:
Wechselwirkungen:
Im Polyaramid gibt es Wasserstoffbrücken zwischen den Amidgruppen und Van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen den aromatischen Ringen.
Beim Polyethen können sich die unverzweigten Polymerketten geordnet aneinanderlagern und aufgrund der regelmäßigen Anordnungen leicht Van-der-Waals-Wechselwirkungen ausbilden.
Teil 2) erklären, wie Verzweigungen in Polyethenketten die zwischenmolekularen Wechselwirkungen beeinflussen:
• Die Verzweigungen verhindern, dass sich die Polyethenketten parallel zueinander anordnen.
• Dadurch bilden sich keine hochgeordneten Zustände aus, in denen die Van-der-Waals-Kräfte besonders ausgeprägt sind.
Teil 3) die Vorteile des FKV gegenüber einer ausschließlichen Verwendung von Verstärkungsfasern diskutieren:
Verstärkungsfasern sorgen durch den hohen Kristallisationsgrad für eine hohe Zugfestigkeit. Dadurch zerreißt das Gewebe nur unter großem Krafteinsatz.
Die zusätzliche Einbettung in einen Duroplasten sorgt für die notwendige Stabilität und schwere Schmelzbarkeit.