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Superabsorber 05:15 min

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Transkript Superabsorber

Superabsorber

Hallo! Hast du dich eigentlich schon mal gefragt, warum eine Babywindel so viel Flüssigkeit aufnehmen kann? Verantwortlich dafür ist ein sogenannter Superabsorber im Inneren der Windel. Warum dieser Stoff so viel Wasser aufnehmen kann und woraus er eigentlich bestehen, wollen wir uns nun einmal genauer ansehen.

Zunächst ein Versuch dazu. Wenn du Wasser auf eine Babywindel gibst, wirst du merken, dass diese bis zu 400 Milliliter Flüssigkeit aufnehmen kann. Wenn du dann versuchst die Flüssigkeit herauszudrücken, wirst du feststellen, dass diese nicht mehr abgegeben wird.

Wenn du eine Windel öffnest, kannst du sehen, dass sie mit einem farblosen körnigen Pulver gefüllt ist. Dieses Pulver wird als Superabsorber bezeichnet. Aber was kann so ein Superabsorber?

Er ist in der Lage, ein Vielfaches seines Gewichts an polaren Flüssigkeiten aufzunehmen, ohne diese wieder abzugeben. Nässt das Baby also in die Windel, gibt diese die Flüssigkeit nicht wieder ab und so behält das Baby eine trockene Haut und die Windel muss nicht sofort gewechselt werden. Aus der Umgebungsluft zieht Superabsorber allerdings keine Feuchtigkeit, er ist also nicht hygroskopisch. So kann er offen gelagert werden.

Die Wasseraufnahme des Superabsorbers kannst du auch optisch beobachten. Der Superabsorber quillt bei der Flüssigkeitsaufnahme stark auf und bildet so ein Hydrogel. Sehen wir uns nun den Aufbau eines solchen Superabsorbers einmal genauer an. Bei einem Superabsorber handelt es sich um ein Co-polymer, welches viele polare Gruppen besitzt und somit in der Lage ist, polare Flüssigkeiten wie Wasser aufzunehmen.

Chemisch betrachtet handelt es sich bei dem Superabsorber um Natriumpolyacrylat. Er entsteht also aus den Monomeren der Acrylsäure. Diese bilden ein lineares Polymer. Durch Copolymerisation mit einem sogenannten Crosslinkern entstehen dann Vernetzungen zwischen den einzelnen Polymerketten. Diese Crosslinker sind Verbindungen mit zwei oder mehr Doppelbindungen. Durch diese Quervernetzung wird ein dreidimensionales Netzwerk gebildet und das Molekül wird wasserunlöslich.

Da Natriumpolyacrylat einen starken Salzcharakter besitzt, erfolgt die Flüssigkeitsabsorbtion durch osmotischen Druck. Das Wasser versucht also die höhere Salzkonzentration im Superabsorber auszugleichen und strömt ein. Natriumpolyacrylat hat die Eigenschaft mit den Wassermolekülen Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden. So bildet sich ein Netzwerk, in dem die Wassermoleküle dauerhaft gebunden sind.

Der Urin des Babys besteht allerdings nicht aus reinem Wasser. In ihm sind gelöste Salze enthalten. Die Salzlösung des Urins ist etwa 0,9%ig. Schauen wir uns nun an, wie die Salzkonzentration der Flüssigkeit die Aufnahmekapazität des Superabsorbers beeinflusst.

Dazu verwenden wir je 100 ml von drei Lösungen mit unterschiedlichem Salzgehalt. Einmal destilliertes Wasser, dann eine 0,9%ige Kochsalzlösung und eine 5%ige Kochsalzlösung. Diese geben wir dann auf jeweils 1g Superabsorber. Du kannst nun beobachten, dass der Superabsorber das gesamte destillierte Wasser aufnehmen kann. Bei der 0,9%igen Kochsalzlösung ist das Absorbtionsvermögen geringer und bei der 5%igen Kochsalzlösung wird kaum noch Flüssigkeit aufgenommen.

Aber warum ist das so? Die Fähigkeit des Polyacrylsäuremoleküls so viel Flüssigkeit aufzunehmen, hängt mit der hohen Anzahl an polaren Carboxygruppen zusammen. Kommt diese Substanz nun mit Wasser in Berührung, lösen sich erst die Natriumkationen und es bilden sich Polyanionen. Diesen Schritt bezeichnet man auch als Überführung des Superabsorbers in seine aktive Form.

Da in der Kochsalzlösung aber schon Natriumkationen gelöst sind, wird die Aktivierung des Anions eingeschränkt und somit die Absorbtionsfähigkeit herabgesetzt. Je salzhaltiger also eine Lösung ist, desto geringer ist das Absorbtionsvermögen des Superabsorbers.

Du weißt nun, dass ein Superabsorber sehr viel Feuchtigkeit aufnehmen kann und damit Anwendung in Babywindeln findet. Du hast gelernt, dass die Wassermoleküle in den Superabsorber eingelagert werden können und dass sie über Wasserstoffbrücken mit ihm verbunden sind. Außerdem haben wir in einem Experiment gezeigt, dass die Anwesenheit von Salzen die Absorbtionsfähigkeit des Superabsorber herabsetzt. Tschüß und bis bald!

Superabsorber Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Superabsorber kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne die Eigenschaften eines Superabsorbers.

    Tipps

    Der Superabsorber enthält viele Natrium-Ionen.

    Überlege, ob Wasser eine polare oder eine unpolare Flüssigkeit ist.

    Nimmt eine Windel Flüssigkeit aus der Luft auf?

    Lösung

    Superabsorber finden vor allem Anwendung bei Babywindeln. Schaust du mal genau auf die Verpackung, siehst du dort die Abkürzung SAP. Diese steht für Superabsorbent Polymers - die englische Bezeichnung für den Superabsorber.
    Warum ist SAP so gut für Babywindeln geeignet? Der Superabsorber besitzt viele Eigenschaften, die dafür sorgen, dass das Baby die Feuchtigkeit in der Windel nicht mitbekommt und so auch nicht davon aufwachen muss.
    SAP ist ein farbloses, körniges Pulver und besitzt durch die vielen Natrium-Ionen in der Struktur einen starken Salzcharakter. Superabsorber können eine große Menge an polaren Flüssigkeiten aufnehmen ohne sie wieder abzugeben.
    Polare Flüssigkeiten, wie Wasser, sind deshalb polar, da sie einen elektrischen Dipolmoment besitzen, d.h. dass im Molekül an zwei unterschiedlichen Orten entgegengesetzte Teilladungen auftreten. //

  • Erkläre, wie das Absorptionsvermögen von Superabsorbern (SAP) zustande kommt.

    Tipps

    Überlege, ob Carboxygruppen polar oder unploar sind?

    Natrium-Ionen sind positiv geladen.

    Lösung

    Superabsorber bestehen aus Acrylsäuremonomeren und Natriymacrylat. Allgemein besteht die Aussage, dass je salzhaltiger die aufzunehmende Lösung ist, desto geringer ist das Absorptionsvermögen. D.h., dass destilliertes Wasser viel besser aufgenommen werden kann als eine 5%-ige Kochsalzlösung, da in dieser schon viele Natrium-Ionen gelöst sind.
    Im destillierten Wasser sind keine Ionen gelöst. Deshalb werden zunächst die Natrium-Ionen aus dem SAP bei Kontakt gelöst. Zurück bleiben Polyanionen. Dies sind Teilchen aus mehreren Atomen desselben Elements, die sich zusammengeschlossen haben und zusammen eine negative Ladung besitzen.

  • Beschreibe den Aufbau eines Natriumpolyacrylatmoleküls.

    Tipps

    Salze der Acrylsäure sind Acrylate.

    Die gesuchte funktionelle Gruppe findet man vor allem in Carbonsäuren.

    Lösung

    Der Superabsorber, oder auch Natriumpolyacrylat, ist ein Copolymer. Copolymere können auch als Heteropolymere bezeichnet werden. Das sind Polymere, die aus zwei oder mehr verschiedenen Monomeren bestehen. In diesem Fall ist es das Monomer der Acrylsäure und das Natriumacrylat.
    Die langkettigen Polymerketten sind über die sogenannten Crosslinker miteinander vernetzt. Durch die entstandenen chemischen Bindungen wird das Polymer wasserunlöslich.

  • Bestimme die verschiedenen Namen der Acrylsäure.

    Tipps

    Zähle die Anzahl der C-Atome.

    Überlege, wie die funktionelle Gruppe $R-CH=CH_2$ heißt.

    Am Ende der Namen steht immer „-säure".

    Lösung

    Acrylsäure ist ein sogenannter Trivialname. Das sind Bezeichnungen für Dinge, die nicht einer offiziellen Systematik, wie z.B. IUPAC, entsprechen.
    Acrylsäure heißt demzufolge chemisch richtig Propensäure. prop, weil im Molekül drei C-Atome vorkommen. Das -en im Namen steht dafür, dass es sich um ein Alken handelt, da es eine Doppelbindung besitzt. Das Wort Säure erhält das Molekül aufgrund der Carboxylgruppe $COOH$.
    Ein weiterer Name für die Acrylsäure ist die Ethylencarbonsäure. Die Ethylengruppe ist die $R-CH=CH_2$ Gruppe. Es handelt sich auch hier um eine Carbonsäure aufgrund der Caboxylgruppe.
    Ein weiterer Name ist die Vinylcarbonsäure. Vinyl ist dabei nur ein neuerer Begriff für Ethylen.

  • Erschließe weitere Verwendungsmöglichkeiten von Natriumpolyacrylat.

    Tipps

    Überlege, was passieren würde, wenn die Lebensmittel beim Transport von ständiger Feuchtigkeit umgeben wären.

    SAP wird z.B. in Ägypten eingesetzt, damit auch dort Landwirtschaft erfolgen kann.

    Lösung

    Es gibt viele Anwendungsmöglichkeiten für das Multitalent Natriumpolyacrylat.
    Eine Anwendung ist in der Verpackungsindustrie zu finden. Dort wird das Polymer dazu eingesetzt, die Flüssigkeit von Lebensmittel aufzunehmen, die diese abgesondert haben. Durch den Einsatz von SAP erreicht man in diesem Bereich eine längere Haltbarkeit der Lebensmittel, wie Fleisch, Fisch oder auch Obst und Gemüse. Auch Lebensmittel wie Reis werden davor geschützt, ungewollt Flüssigkeit aufzunehmen.
    Eine andere Möglichkeit ist die, dass SAP als Feuchtigkeitsregulierer in der Landwirtschaft eingesetzt wird. Anders als bei den Babywindeln, hat man hier eine Möglichkeit gefunden, dass das SAP ganz automatisch die aufgenommene Flüssigkeit langsam wieder an die Wurzeln der Pflanzen abgibt. So kann man viel Wasser einsparen und die Gefahr, dass Pflanzen überwässert werden, sinkt. Außerdem kann das Natriumpolyacrylat auch da eingesetzt werden, wo sonst gar kein oder kaum Wasser in Form von Regen vorhanden ist, wie z.B. in Ägypten oder Israel.
    Zusätzlich wird der Superabsorber in der Kosmetik und Medizin verwendet. Er wird dort als Gel für Haargel oder auch Kühlgel eingesetzt. Er kann auch so z.B. in Verbänden überschüssiges Blut von Wunden aufnehmen und binden.

  • Bestimme die Namen der gezeigten Polymere und deren Monomere.

    Tipps

    Zähle zunächst die Anzahl der C-Atome im Monomer.

    Beachte, dass bei Polymeren Doppelbindungen der Monomere gespalten werden.

    Das Polymer setzt sich aus vielen Monomeren zusammen, weshalb der Name des Polymers dem Namen des Monomers ähnelt.

    Lösung

    Neben dem Polymer des Natriumpolyacrylats gibt es noch eine Menge andere Polymere. Die in dieser Aufgabe behandelten Polymere sind nur ein sehr kleiner Teil. Das Polymer Polyethylen besteht aus dem Monomer Ethen, die durch radikalische Polymerisation miteinander verknüpft wurden. Polyethylen ist der meistgenutzte (Standard)-Kunststoff und er befindet sich vor allem in Behältern oder Tüten.
    Beim nächsten Polymer handelt es sich um Polytetrafluorethylen oder kurz Teflon. Teflon ist ein unverzweigtes, linear aufgebautes Polymer. Es wird vor allem bei Pfannen oder in der Raumfahrt aufgrund seiner Reaktionsträgheit eingesetzt, denn dieser Stoff wird nicht mal von Königswasser angegriffen. Es ist hitzebeständig und hat eine geringe Oberflächenspannung.
    Bei Polyvinylchlorid handelt es sich um einen thermoplastischen Kunststoff. Viele bezeichnen ihn nur als PVC. Er wird vor allem bei Fußbodenbelägen, Rohren oder auch für Schallplatten eingesetzt.