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Eigenschaften von Kunststoffen (Expertenwissen)

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Die Autor*innen
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André Otto
Eigenschaften von Kunststoffen (Expertenwissen)
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Eigenschaften von Kunststoffen (Expertenwissen) Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Eigenschaften von Kunststoffen (Expertenwissen) kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne wichtige Eigenschaften von Kunststoffen.

    Tipps

    Kunststoffe sind mechanisch bearbeitbar.

    Kunststoffe haben keine metallischen Eigenschaften.

    Kunststoffe leiden nicht unter den Mängeln unedler Metalle.

    Kunststoffe erinnern in ihren Eigenschaften an langkettige organische Verbindungen.

    Lösung

    Kunststoffe sind organische Verbindungen und damit leicht:

    Genau wie die Alkane und Halogenalkanen können Luft und Wasser den Kunststoffen nichts anhaben. Sie sind korrosionsfest.

    Von Ausnahmen, wie Teflon, abgesehen, sind Kunststoffe, wie die meisten organischen Verbindungen, nicht temperaturbeständig.

    Da die Moleküle der meisten Kunststoffe nicht über ausgedehnte delokalisierte Elektronensysteme verfügen, sind sie schlechte Wärmeleiter und elektrische Isolatoren. In der Regel besitzen die Moleküle der Kunststoffe keine farbgebenden oder farbverstärkenden Gruppen. Sie sind daher nicht farbig.

  • Ordne die Eigenschaften den Kunststoffen zu.

    Tipps

    Die Dichten genügen der Abfolge: unsubstituiert < großer Substituent < kleiner Substituent

    Ätzende Stoffe greifen viele Kunststoffe nicht an.

    Lösung

    Die Dichten betragen 0,87 - 0,97 (PE), 1,05 (PS) sowie 1,2 - 1,4 (PVC), in Gramm pro Kubikzentimeter. Der höhere Wert von PS im Vergleich zu PE erklärt sich aus dem dominierenden aromatischen Anteil im Kunstoff PS. Die Dichte des PVC ist noch größer. Hauptursache dafür ist die höhere Masse eines Chlor-Atoms im Vergleich zu einem Wasserstoff-Atom.

    PE schmilzt bei 130-145°C, PS bei 240-270°C. Der Unterschied ist das Ergebnis der stärkeren zwischenmolekularen Wechselwirkung zwischen aromatischen Molekülen im Vergleich zu aliphatischen Teilchen.

    Alle drei Kunststoffe sind stabil gegenüber Laugen. Das ist bei PE und PS nicht verwunderlich. Bei PVC ist diese Tatsache nicht selbstverständlich und sie verdient eine spezielle Diskussion.

    Die Anfälligkeit von Polystyrol gegenüber Benzin ist offensichtlich auf einen Bruch der zwischenmolekularen Bindungen zurückzuführen. Daher löst auch Xylol beim Erwärmen PE.

    PVC liefert beim Verbrennen Chlorwasserstoff und das sehr starke Gift Dioxin.

  • Zeige wichtige Probleme beim Recycling von Kunststoffen auf.

    Tipps

    Die Grundlage für einen Kunststoff wächst in der Natur.

    Halogenoxide sind schwer herstellbar.

    Die geringe Dichte von Schaumkunststoffen ist nicht immer von Vorteil.

    Lösung

    Bis auf Celluloseacetat sind alle genannten Kunststoffe nicht biologisch abbaubar (kompostierbar). Dennoch gibt es massive Unterschiede.

    Polyethylen:
    Die Verbrennung führt zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. So widersinnig es klingen mag, wird Polyethylen aus Bioethanol über die Stufe Ethylen hergestellt, so spricht man ganz offiziell von Biokunststoff. Achtet beim Erwerb von Einkaufstaschen einmal darauf. Vielleicht kommt euch ein solches Bioprodukt unter.

    Polyvinylchlorid:
    Eigentlich gehört dieser Kunststoff ins Museum. Aber weil er so schön billig ist und nicht verrottet, wird er nach wie vor in riesigen Mengen hergestellt. Weichmacherzusätze sind ein gravierender Mangel. Daneben wird bei der Verbrennung Chlorwasserstoff frei. Das allerschlimmste aber ist, dass eben dieser Chlorwasserstoff bei der Verbrennung autokatalytisch wirkt. Die Verbrennung wird noch beschleunigt. Also: Keine Dinge aus PVC in die Wohnung stellen! Gartenschläuche sind ein anderer Fall.

    Polystyrol:
    Klar, dass die Flamme hier rußend ist. Denn der aromatische Anteil ist hoch und damit auch der Gehalt an Kohlenstoff. Entsprechend brennt der Kunststoff auch schlechter als PE und PVC und es ist kein Wunder, dass bei der Verbrennung Styrol freigesetzt wird. Schaumplast hat eine sehr geringe Dichte. Daher können nur geringe Massen transportiert werden. Das bringt wirtschaftliche Unkosten mit sich und es entsteht ein Transportproblem.

  • Berechne die Wertsteigerung bei der Fertigung von Acrylglas aus Polymethylmethacrylat.

    Tipps

    Als Vereinfachung wird angenomen, dass:

    V (Acrylglases) = V (PMMA)

    Das Formelzeichen für die Dichte ist $\varrho$, ausgesprochen roh.

    Der Preis für PMMA ist das Produkt aus der Masse von PMMA und dem Preis für eine bestimmte Masse.

    Lösung

    Das Ergebnis errechnet sich als Differenz des Preis für Acrylglases und des Preises für PMMA.

    Das Volumen des PMMA (in $m^3$) errechnet sich durch Multiplikation von 800 $m^2$ und der Stärke (0,006 *m). Man erhält 4,8 $m^3$. Durch Multiplikation mit der Dichte von 1190 $\frac{kg}{m^3}$ ergibt sich eine Masse von 5712 kg. Durch weitere Multiplikation mit dem Preis von 2,5 $\frac{Euro}{kg}$ ergeben sich 14280 Euro für den Preis des PMMA.

    Der Preis für Acrylglas ergibt sich durch Multiplikation des Quadratmeterpreises von 51 Euro mit der verkauften Fläche von 800 $m^2$. Man erhält 40800 Euro. Man nimmt an, dass die Volumina von Acrylglas und PMMA gleich sind.

    Und schließlich die Schlussrechnung:
    Wertsteigerung = 40800 Euro - 14280 Euro = 26520 Euro

  • Benenne die Nachteile von Kunststoffe.

    Tipps

    Viele Kunststoffe besitzen ein starres makromolekulares Gerüst.

    Für gewisse Anwendungen ist Biegsamkeit des Materials erforderlich.

    Überlege, ob typische organische Verbindungen mit Wasser reagieren.

    Lösung

    Die meisten Kunststoffe sind natürlichen organischen Verbindungen nicht ähnlich. Sie sind daher nicht biologisch abbaubar.

    Sie sind nicht biegsam. Ausnahmen sind Naturgummi und synthetischer Gummi. Möchte man zum Beispiel PVC biegsam machen, muss man Weichmacher hinzugeben. Heute weiß man, dass das gesundheitlich nicht unbedenklich ist.

    Die meisten Kunststoffe sind verformbar und damit zerspannbar. Diese Eigenschaft ist ein Vorteil der Polymere. Kunststoffe sind weich. Das ist für den technischen Gebrauch nachteilig. Wichtig: Weich bedeutet nicht unbedingt elastisch. Einfach gesprochen werden weiche Feststoffe durch härtere Feststoffe geritzt.

    Kunststoffe sind nicht wasserempfindlich. Sonst wäre so manche Plasiktschüssel bald hinüber. Natürlich gibt es auch von dieser Regel Ausnahmen. Ein Großteil der Polymere ist spröde. Ein fester Block kann zerbrechen. Offensichtlich reichen die Länge der Polymerketten und die dazwischen wirkenden Kräfte nicht aus, um Materialbruch zu verhindern.

  • Stelle den Zusammenhang zwischen Dichte und strukturellem Aufbau von PE und PVC dar.

    Tipps

    Chlor besitzt die Ordnungszahl 17. Wasserstoff hat die Ordnungszahl 1.

    Was bedeuten diese unterschiedlichen Ordnungszahlen in Bezug auf molare Masse und Platzbedarf?

    Je weiter hinten ein Element im PSE steht, desto mehr Protonen und Elektronen besitzt es. Es wird also schwerer (auch innerhalb der Hauptgruppen).

    Lösung

    Die Dichte ist der Quotient aus Masse und Volumen. Wir haben somit die Massen (molaren Massen) und die Volumina (molekulare Volumina) der beteiligten Moleküle zu betrachten. Wir vergleichen die molaren Massen von PE und PVC und den Faktor, um von PE zu PVC zu gelangen. Ihr müsstet hier 28 $\frac{g}{mol}$, 62,5 $\frac{g}{mol}$ und als Quotient des größeren durch den kleineren Wert etwa 2,23 erhalten haben. Mit diesem Ergebnis wird dann die Dichte von PE multipliziert.

    Die Berechnung der Molekülvolumina ist ungleich schwerer. Als Näherung wurde hier 1,7 für das Verhältnis von PVC zu PE benutzt.

    Multipliziert man nun die Werte für die Untergrenze (0,87) und die Obergrenze (0,97) der Dichte (alle in $\frac{g}{cm^3}$) für PE mit 2,23 und dividiert durch 1,7), so erhält man Dichtewerte von 1,14 und 1,27 für PVC.

    Diese Ergebnisse sind in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten von 1,2 und 1,4. Es lässt sich schlussfolgern, dass die makromolekularen Ketten von PE und PVC ähnlich angeordnet sind; so sollte in beiden Fällen der Freiraum zwischen den Molekülen vergleichbar groß sein.

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