Transcript Kautschuk
Philipps-Universität Marburg
Fachbereich 15: Chemie
Übung im Experimentalvortrag
Sommersemester 2010
Henrik Laßmann
Gliederung
1. Was ist Kautschuk?
2. Gewinnung der Latexmilch
3. Rohkautschuk
4. Vom Kautschuk zum Gummi
5. Verwendung von Kautschuk
6. Kautschuk in der Schule
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1. Was ist Kautschuk?
Die Wortherkunft
Maya „caao-chu“
(„weinender Baum“)
Französisch: „caoutchouc“
Deutsch: „Kautschuk“
http://www.reifensuchmaschine.de/reifen/kautschuk-reifen/
kautschukbaum.jpg
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1. Was ist Kautschuk?
Der weinende Baum
„Hevea brasiliensis“ –
botanischer Name des
„weinenden Baumes“
Heimat: Amazonasgebiet
Gruppe der
Wolfsmilchgewächse
Wichtigster Naturkautschuklieferant: 90 %
95 % des Naturkautschuks
aus Südost-Asien
http://online-media.uni-marburg.de/biologie/
nutzpflanzen/carina/Gummi2.jpg
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1. Was ist Kautschuk?
Der weinende Baum
„Hevea brasiliensis“ wächst im Gebiet des
„Kautschukgürtels“
http://www.oldtimerreifen-moeller.de/pictures/kguertl.jpg
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1. Was ist Kautschuk?
Der weinende Baum
Milchsaft des Kautschukbaums:
Latex
Spanisch „leche“ für Milch
Latex
http://www.virusdoktor.de/patong2005/kautschuk.jpg
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1. Was ist Kautschuk?
Versuch 1: Tyndall Effekt
Eingesetzte Chemikalien:
Stark verdünnte Latexmilch
Kochsalzlösung NaCl(aq)
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1. Was ist Kautschuk?
Der Tyndall-Effekt
Kolloidale Lösung
Teilchengrößen vergleichbar mit Wellenlänge des
sichtbaren Lichts
(10 bis 1000 Nanometer)
Dispersion erscheint
homogen
Starke Lichtstreuung
nur bei
kolloidalen Lösungen
http://de.academic.ru/pictures/dewiki/115/sonnenebel.jpg
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1. Was ist Kautschuk?
Definition
Als Kautschuk wird das Polymer bezeichnet, welches
in der Latexmilch mit einem Anteil von 25 – 40 %
vorliegt:
cis-1,4-Polyisopren
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1. Was ist Kautschuk?
Latexmilch
Zusammensetzung:
Massenanteil
Stoff
0,6 – 0,7
Wasser
0,25 – 0,4
Kautschuk
0,015 – 0,02
Harze
0,015 – 0,02
Proteine
0,005 – 0,01
Mineralstoffe
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1. Was ist Kautschuk?
Versuch 2: Doppelbindungsnachweis
Eingesetzte Chemikalien:
Brom Br2(l) in Eisessig CH3COOH(aq)
Kautschuk in Toluol C7H8(l)
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1. Was ist Kautschuk?
Doppelbindungsnachweis
Bromaddition an Doppelbindungen:
H 3C
H 3C
+
Br
Br
Br
n
n
Br
cis-1,4 -P olyisop ren
CH3
Br
H 3C
Br
Br
Br
-
+
n
B rom on iu m -Ion
n
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2. Gewinnung der Latexmilch
Gewinnung durch Einschnitt in
Milchröhren alle 2 Tage
Diagonale Einschnitte von links
oben nach rechts unten
Milchröhren spiralförmig
Ertrag: 20-30 g pro Baum und Tag
http://www.pi-net.ch/fotos/bilder_india/kautschuk01.jpg
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2. Gewinnung der Latexmilch
http://www.uni-duesseldorf.de/MathNat/Biologie/Didaktik/Nutzpflanzen/isopren.pdf; Seite 24
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2. Gewinnung der Latexmilch
Auch einheimische Pflanzen besitzen Milchsaft…
- Löwenzahn (Taraxacum)
- Mohn (Papaver)
- Gänsedistel (Sonchus)
Sehr geringer Gehalt
http://www.dogfood-marengo.ch/kraeuter/
images/loewenzahn2.jpg
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2. Gewinnung der Latexmilch
… und manche Zimmerpflanzen:
- Birkenfeige - „Benjamini“ (Ficus benjamina)
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3. Rohkautschuk
Versuch 3: Latex Koagulation
Eingesetzte Chemikalien
Verdünnte Latexmilch
Verdünnte Ameisensäure HCOOH(aq)
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3. Rohkautschuk
Latex Koagulation
Kautschuk: unpolares Makromolekül
Grenzflächenaktive Emulgatoren halten K. in Lösung
(hier: Proteine)
KautschukMoleküle
Protein
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3. Rohkautschuk
Latex Koagulation
Zugabe von Säure
Zerstörung der Tertiärstruktur der Proteine
Funktionsverlust; Koagulation des Kautschuks
Denaturiertes
Protein
Koagulierter
Kautschuk
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3. Rohkautschuk
Industrielle Aufarbeitung
Latexkoagulation mit
Ameisensäure
Schwammartige Matten
http://www.swisseduc.ch/geographie/materialien/rohstoffe_welt/
kautschuk/icons/latexsaft_koagulieren.jpg
Pressen / Prägen
Rubber Sheets
http://www.swisseduc.ch/geographie/materialien/rohstoffe_welt/
kautschuk/icons/matten_auspressen.jpg
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3. Rohkautschuk
Industrielle Aufarbeitung
Lufttrocknen der Sheets
Air-Dried-Sheets
Räuchern der Sheets
Smoked Sheets
http://www.swisseduc.ch/geographie/
materialien/rohstoffe_welt/kautschuk/
icons/rubber_sheets.jpg
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3. Rohkautschuk
Andere Handelsvarianten:
Gerinnung in langen Trögen, walzen zu Crepes
Gerinnung in langen Trögen, zerkleinern Granulat,
Heisslufttrocknen
Block Rubber oder Heveacrumb (goldfarbene
Blöcke)
Ammoniakzugabe zur Latexmilch, aufkonzentrieren
(zentrifugieren/eindampfen)
Latexmilchkonzentrat
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3. Rohkautschuk
Demonstration 1: Quellvermögen
Rohkautschuk in Toluol
Vergleichsprobe
Quellung nach 1 Stunde
Quellung nach 1 Tag
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3. Rohkautschuk
Quellvermögen
Kautschuk ist ein Thermoplast
Lange, nicht verzweigte Polymere
Rohkautschuk
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3. Rohkautschuk
Quellvermögen
Einlagerung von Toluol zwischen Polymerketten
Abstandsvergrößerung zwischen Polymeren
Quellung
Toluol
Rohkautschuk
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3. Rohkautschuk
Versuch 4:
Doppelbindungsnachweis in Kautschuk
(Baeyer-Probe)
Eingesetzte Chemikalien:
Rohkautschuk
Baeyer-Reagenz
1. Lösung: Kaliumpermanganat-Lösung KMnO4(aq)
2. Lösung: Natriumcarbonat-Lösung Na2CO3(aq)
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3. Rohkautschuk
Baeyer-Probe
Doppelbindungen reagieren mit Permanganat
Braunstein als brauner Niederschlag
H 3C
0
CH3
-1
+7
+
MnO
-
H 2O
+1
4 (aq)
+
0
+5
MnO
3 (aq)
n
n
HO
OH
Reduktion
Oxidation
Braunstein
+5
2 MnO
3 (aq)
+4
MnO
2(s)
+
+6
MnO
24
(aq)
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3. Rohkautschuk
Baeyer-Probe
Mechanismus: elektrophile Addition
Syn-Dihydroxylierung
R
R
R
O
O
R
O
Mn
R
R
O
R
R
O
OH
H 2O
+
Mn
O
-
O
R
R
O
O
+5
Mn
-
O
R
-
OH
R
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O
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Kautschukforschung
1763: P. I. Macquer stellt Formartikel her
1770: J. Priestley entdeckt Radiereffekt
1791: Samuel Peal erfindet gummierte Gewebe
1823: Charles Macintosh fertigt ersten Regenmantel
1826: Michael Faraday findet Summenformel einer
Isopreneinheit
Kautschuk: wenig hitzebeständig, klebrig, spröde bei
Kälte
Forschung zur Verbesserung der Eigenschaften
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4. Vom Kautschuk zum Gummi
Kautschukforschung
1839: Charles Goodyear entdeckt
durch Zufall die Vulkanisation
Experimente mit verschiedenen
Kautschukmischungen
Schwefel-Kautschuk-Mischung fällt
auf heiße Herdplatte
Entdeckung des Gummis
http://thebsreport.files.wordpress.com/
2009/06/charles_goodyear.jpg
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4. Vom Kautschuk zum Gummi
Kautschukforschung
Patentstreit mit Thomas Hancock
Goodyear bekommt Priorität zugesprochen
1844: Patentanmeldung des Vulkanisationsprozesses
Goodyear produziert Handschuhe, Zelte
1855: Goodyear erzeugt erstes Gummikondom (2 mm
Dicke)
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4. Vom Kautschuk zum Gummi
Demonstration 2: Vulkanisation
Eingesetzte Chemikalien:
Latexmilch
Schwefel S8
Tensid (Alkylethersulfat)
Zinkoxid ZnO(s)
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4. Vom Kautschuk zum Gummi
Vulkanisation
Latexmilch-, Schwefel-, Tensid-, Zinkoxid-Gemisch
erhitzen
(Trockenschrank: 130 °C; ½ Stunde)
Gelbes Gummi
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4. Vom Kautschuk zum Gummi
Vulkanisation
Isopreneinheit
+ S8, ΔT
Schwefelbrücken
Naturkautschuk
http://www.chemieunterricht.de/dc2/auto/images/vulkanis.jpg
Gummi (Elastomer)
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4. Vom Kautschuk zum Gummi
Vulkanisation
Schwefelmenge bestimmt Vernetzungsgrad
Schwefelmenge
Gummi
2–3%
Weichgummi
5- 15 %
Lederartig/unbrauchbar
30 – 50 %
Hartgummi
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4. Vom Kautschuk zum Gummi
Vulkanisation
Weitere Zusätze:
Beschleuniger: Setzten Vulkanisationstemperatur
herab, verkürzen Sulfidbrücken
z.B.: Dithiocarbamate (Monosulfidbrücken, ½ Min.
Vulkanisation bei 140 °C)
Aktivatoren: Metalloxide; Unterstützen
Beschleuniger
z.B.: Zinkoxid
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4. Vom Kautschuk zum Gummi
Vulkanisation
Weitere Zusätze:
Antioxidanzien: Alterungsschutz, Radikalfänger,
Verhindern Kettenabbau, weitere Vernetzung
Füllstoffe: Verbesserung von Abrieb und
Reißfestigkeit, Volumenzunahme, Festigkeit
z.B.: Ruß (bessere Reißfestigkeit, weniger Abrieb),
Zinkoxid (Verfestigung), Kreide (Volumenzunahme)
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4. Vom Kautschuk zum Gummi
Vulkanisation
Weitere Zusätze:
Weichmacher: Einstellung des Weichheitsgrades,
Alterungsschutz (z.B.: Paraffine, kurzkettige
Polybutadiene)
Haftmittel: Verbesserung der Hafteigenschaften auf
Geweben, Metallen (z.B.: Kieselsäure)
Verzögerer: Verlängerung der Vulkanisationszeit,
verhindern Versengen (z.B.: Benzoesäure)
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4. Vom Kautschuk zum Gummi
Demonstration 3:
Dehnbarkeit Kautschuk vs. Gummi
Materialien:
Unvulkanisierte Kautschukmischung
Magnetrührer mit Heizplatte
2 Spachtelbleche
Silikonöl
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4. Vom Kautschuk zum Gummi
Dehnbarkeit Kautschuk vs. Gummi
Vulkanisationsapparatur:
Unvulkanisierte Kautschukmischung
Spachtelblech mit Silikonöl
Magnetrührer mit Heizplatte
40
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Dehnbarkeit Kautschuk vs. Gummi
Unvulkanisierter Kautschuk:
• nicht elastisch (plastisch)
• Verformung bleibt bestehen
Dehnung
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4. Vom Kautschuk zum Gummi
Dehnbarkeit Kautschuk vs. Gummi
Gummi:
Elastisch
Kehrt in die Ausgangsform zurück
Dehnung
Keine
Krafteinwirkung
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4. Vom Kautschuk zum Gummi
Versuch 5: Elastizität von Gummi
Eingesetztes Material:
Gummiband
Gewicht
Heißluftfön
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4. Vom Kautschuk zum Gummi
Elastizität von Gummi
Freie Drehbarkeit der Kettenglieder im Molekül
Stark geknäulte Struktur:
Bei Dehnung: geordneter Zustand
Bestreben in den ungeordneteren Zustand
zurückzukehren (statistisch bevorzugt; EntropieEffekt)
Erwärmen: höhere Teilchenbewegung,
wahrscheinliche Formen werden eingenommen
Gummibandverkürzung
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4. Vom Kautschuk zum Gummi
Versuch 6: Schwefelnachweis in Gummi
Eingesetzte Chemikalien:
Gummiband
Bleiacetatpapier (Pb(CH3COO)2)
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4. Vom Kautschuk zum Gummi
Schwefelnachweis in Gummi
Thermische Zersetzung des Gummis
Starke Rauchentwicklung
Bleiacetatpapier zeigt schwarzbraune Verfärbung
Pb2+(aq) + 2 CH3COO-(aq) + H2S(g)
PbS(s) + 2 CH3COOH
schwarz
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5. Verwendung von Kautschuk
Autoreifen (60 – 70 %)
Radiergummi
Schläuche, Stopfen
Dichtungsmaterial
http://www.vikingdirekt.at/pictures/
at/vkg/sk/lg/0120_sk_lg.jpg
http://www.hubtraum.de/shop/images/
medium/autoreifen-sp9000_klein.jpg
Isolierungsmittel
Latexkleidung
Handschuhe
Ballons
Kondome
…
http://growshop.plazza.ws/img/2/1109.jpg
http://www.latexbay.com/ebay/
zentai/catalog/latex%20s1.jpg
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6. Kautschuk in der Schule
Versuche sind schulgeeignet
Bromaddition: Lehrerversuch (HessGISS)
Schwefelnachweis mit Bleiacetat: Lehrerversuch
(HessGISS)
Fächerübergreifender Unterricht
Biologie, Sozialkunde, Wirtschaft
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6. Kautschuk in der Schule
11. Klasse: Eigenschaften und Reaktionen von
Kohlenstoff-Wasserstoff Verbindungen
Kautschuk, Gummi fakultativ
12. Klasse: Wahlthema Angewandte Chemie
Natürliche Makromoleküle
Kunststoffe
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Danke für die Aufmerksamkeit!
50
Quellen
Bücher / Magazine:
Mortimer, C., Basiswissen der Chemie, 8. komplett überarbeitete und erweiterte
Auflage, Thieme-Verlag, Stuttgart, 2003.
Vollhardt, C., Organische Chemie, 4. Auflage, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.
KGaA, Weinheim, 2005.
Praxis der Naturwissenschaften Heft 4 1989 Seiten: 42 – 44
Praxis der Naturwissenschaften Heft 5 1992 Seiten: 17 – 10
CD-Rom Verzeichnis:
HessGISS. Unfallkasse Hessen (UKH), Frankfurt, 2006/2007.
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Quellen
Internet:
http://www.bauchemie.ch.tum.de/master-framework/
?download=1&file=130&ck=7877965832a724fda08d780b6fc50338
http://chemie.fb2.fh-frankfurt.de/KAT/kautschukgeschichte.htm
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/9/mac/netzwerke/vulkan/s
chwefel.vlu/Page/vsc/de/ch/9/mac/netzwerke/vulkan/schwmenge.vscml.html
http://www.friedrich-verlag.de/pdf_preview/d510019_1822.pdf
http://www.hansa-gymnasium-mint.org/n-chemie/projekte/phoenixcompounding/vulkanisation.html
http://macroweb.chemie.unisaarland.de/desknow/directfiles/wenz/Vorlesungen/MC1%20Synthese%20von
%20Polymeren/Literatur/Vulkanisation.pdf
http://www.nachwachsenderohstoffe.de/fileadmin/fnr/images/literatur/L_Heft_l
.pdf
http://online-media.unimarburg.de/biologie/nutzpflanzen/carina/hevea_brasiliensis.htm
http://www.seilnacht.com/Lexikon/k_gummi.html
52
Quellen
http://www.swisseduc.ch/geographie/materialien/rohstoffe_welt/kautschuk/
http://www.thomasmusolf.de/fuer_schueler_und_eltern/Chemie/Semester%201
%20Aufbau%20der%20Materie/V%20Kohlenstoff/Nachweis%20von%20Dopp
elbindungen.pdf
http://www.uni-due.de/~hc0014/S+WM/Wirkung/Tyndall.html
http://www.uniduesseldorf.de/MathNat/Biologie/Didaktik/Nutzpflanzen/isopren.pdf
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