Aufgabe 1 - Kunststoffe · Abitur NRW Chemie LK · Plexiglas-EN 2025

1 Beschreiben Sie die Einteilung der Kunststoffe in drei Kunststoffklassen anhand ihres mechanisch-thermischen Verhaltens. Geben Sie dabei auch strukturelle Merkmale der Kunststoff-Moleküle an. Ordnen Sie PMMA begründet einer der drei Klassen zu (M 1).

Lösung: Thermoplaste: lineare oder wenig verzweigte Makromoleküle; werden weich und formbar beim vorsichtigen Erhitzen und behalten ihre Form beim Abkühlen, bei Überhitzung thermische Zersetzung. Duroplaste: engmaschig, dreidimensional vernetzte Makromoleküle; hart, spröde, schmelzen nicht, sondern verkohlen und zersetzen sich bei Überhitzung. Elastomere: weitmaschig vernetzte Makromoleküle; gummielastisch, erweichen, aber schmelzen nicht, sondern verkohlen und zersetzen sich bei Überhitzung. Zuordnung von PMMA: PMMA gehört zu den Thermoplasten, da es aus unvernetzten, linearen Ketten aufgebaut ist.

2 Geben Sie die Strukturformel des Monomers von PMMA an. Beschreiben Sie unter Verwendung von Strukturformeln den Reaktionsmechanismus der radikalischen Polymerisation zur Synthese von PMMA (M 1).

Lösung: Monomer von PMMA (Methylmethacrylat, MMA): Reaktionsmechanismus der radikalischen Polymerisation: 1. Radikalbildung: $$R-R \longrightarrow R\bullet + \bullet R$$ 2. Startreaktion: 3. Kettenwachstum: 4. Kettenabbruch (z. B. durch Rekombination zweier wachsender Radikalketten):

2 Beschreiben Sie den Reaktionsmechanismus der radikalischen Polymerisation (Erläuterung der Reaktionsschritte).

Lösung: Radikalbildung: Durch geringe Wärmezufuhr zerfallen Starter-Moleküle homolytisch in Radikale. Startreaktion: Das Radikal reagiert mit dem Monomer zum MMA-Radikal. Kettenwachstum: Das MMA-Radikal reagiert in einer Kettenreaktion mit weiteren MMA-Monomeren, die radikalische Kette wächst. Kettenabbruch: Zwei Radikale bilden ein Molekül (Rekombination / Disproportionierung).

3 Planen Sie für das Kunststoffgemisch ein mögliches experimentelles Vorgehen, um jeden Kunststoff als Feststoff getrennt zu erhalten (M 2).

Lösung: 1. Abtrennung von PE durch Wasser (Schwimm-Sink-Verfahren): Aufgrund seiner Dichte ($0{,}92\text{--}0{,}96\text{ g/cm}^3 < 1{,}0\text{ g/cm}^3$) schwimmt nur PE auf Wasser auf und kann abgetrennt werden. 2. Abtrennung von PS mittels 14%iger NaCl-Lösung: Die Dichte beträgt $\rho = 1{,}11\text{ g/cm}^3$. PS ($\rho = 1{,}05\text{ g/cm}^3$) schwimmt auf dieser Salzlösung auf, während PET und PMMA absinken. 3. Trennung von PMMA und PET: Das verbleibende Gemisch aus PMMA und PET wird mit Aceton versetzt; PMMA löst sich gut in Aceton, PET ist schlecht löslich und verbleibt als Feststoff. Nach Abfiltration von PET wird das Aceton verdampft, sodass PMMA als Feststoff zurückbleibt.

4 Beschreiben Sie kurz das rohstoffliche, werkstoffliche und energetische Recycling (thermische Verwertung). Beurteilen Sie die drei Verfahren im Hinblick auf ihre ökologische und ökonomische Eignung zum Recyceln von PMMA (M 3).

Lösung: Beschreibung der Recyclingverfahren: - thermische Verwertung (energetisches Recycling): Nutzung der durch die Verbrennung der Kunststoffe entstehenden Wärmeenergie (z. B. zur Dampferzeugung und Umwandlung in elektrische Energie). - werkstoffliches Recycling: direkte Verwertung des Materials, z. B. durch Ein- und Umschmelzen. - rohstoffliches Recycling: Zerlegung der Polymere in die Monomere und deren Wiederverwendung. Beurteilung der Verfahren: - thermische Verwertung: Vernichtung wertvoller Rohstoffe durch Verbrennung sowie Kohlenstoffdioxid-Ausstoß (ökologisch ungünstig); ökonomisch, da kostengünstig und Nutzung der Wärmeenergie. - werkstoffliches Recycling: ökologisch durch Einsparung von Ressourcen; ökonomisch durch Umschmelzung von Thermoplasten zu neuen Produkten, jedoch führt wiederholtes Einschmelzen zu Qualitätsverlust (Downcycling). - rohstoffliches Recycling: ökologisch durch Einsparung von Ressourcen und Abfällen; ökonomisch durch Wiederverwenden von hochwertigen Monomeren wie MMA, aber energetisch aufwendiges Verfahren durch Beheizung. Sachurteil: Rohstoffliches Recycling ist bei PMMA zu bevorzugen wegen Einsparung von Ressourcen und Abfällen sowie Rückgewinnung von hochwertigen Monomeren wie MMA (Depolymerisation im Hamburger Verfahren).