Samenvatting · Scheikunde · vwo 6 Polymeren: additie- en condensatiepolymerisatie en eigenschappen

Van een plastic tas tot een nylon trui en een PET-fles: ze bestaan allemaal uit polymeren, maar ze ontstaan op verschillende manieren en hebben heel verschillende eigenschappen. Na deze samenvatting kun je additie- en condensatiepolymeren uit hun monomeren afleiden, de eigenschappen van een kunststof verklaren met de bouw van de ketens, en rekenen aan de ketenlengte en de samenstelling.

Polymeren en monomeren

Een polymeer is een macromolecuul dat bestaat uit een groot aantal herhalende eenheden. De kleine moleculen waarvan het polymeer wordt gemaakt, heten monomeren. De reactie is een polymerisatie. Het aantal herhalende eenheden is de polymerisatiegraad $n$.

Een polymeer bestaat uit ketens van verschillende lengte. Je geeft daarom een gemiddelde molecuulmassa op.

Additiepolymerisatie

Bij additiepolymerisatie koppelen monomeren met een $\mathrm{C}=\mathrm{C}$-binding aan elkaar. De dubbele binding wordt een enkele binding en er komt niets vrij. Alle atomen van de monomeren komen in het polymeer: de atoomeconomie is 100%.

De naam van een additiepolymeer is meestal "poly" gevolgd door de naam van het monomeer, al heeft PVC de naam polyvinylchloride. Rekenvoorbeeld: PVC bevat per herhalende eenheid ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_3\mathrm{Cl}$ (62,49 u) één chlooratoom van 35,45 u, dus $\frac{35,45}{62,49}\times 100\%=56,7$ massaprocent chloor.

Condensatiepolymerisatie

Bij condensatiepolymerisatie koppelen monomeren met twee functionele groepen aan elkaar, en bij elke koppeling komt een klein molecuul vrij, meestal water. Er zijn twee mogelijkheden: twee verschillende monomeren met elk twee dezelfde groepen, of één monomeer met twee verschillende groepen.

Polyester ontstaat uit een dicarbonzuur en een diol. Elke koppeling is een esterbinding. PET (polyethyleentereftalaat) komt uit benzeen-1,4-dicarbonzuur (tereftaalzuur, ${\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_6{\mathrm{O}}_4$) en ethaan-1,2-diol (${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6{\mathrm{O}}_2$):

Polyamide ontstaat uit een dicarbonzuur en een diamine. Elke koppeling is een amidebinding $-\mathrm{CO}-\mathrm{NH}-$. Nylon-6,6 komt uit hexaandizuur en hexaan-1,6-diamine:

Een monomeer met twee verschillende groepen is melkzuur, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{CH}(\mathrm{OH})\mathrm{COOH}$. Dat vormt het polyester polymelkzuur (PLA), dat uit hernieuwbare grondstoffen te maken is. Aminozuren vormen op dezelfde manier eiwitten, met de amidebinding als peptidebinding.

De massa van de herhalende eenheid van een condensatiepolymeer is de massa van de monomeren samen min de massa van het afgesplitste water. Bij PET is dat $166,13+62,07-2\times 18,02=192,2$ u, de herhalende eenheid is ${\mathrm{C}}_{10}{\mathrm{H}}_8{\mathrm{O}}_4$. Een keten van $2,0\cdot 10^4$ u bestaat dus uit gemiddeld $\frac{2,0\cdot 10^4}{192,2}=1,0\cdot 10^2$ herhalende eenheden.

Structuur en eigenschappen

De eigenschappen van een kunststof volgen uit de bouw van de ketens en de krachten tussen die ketens.

• Bij polyetheen heeft vertakt polyetheen (LDPE) een lagere dichtheid en is zachter dan lineair polyetheen (HDPE), omdat de vertakte ketens minder dicht op elkaar passen en minder vanderwaalsbindingen maken.
• Bij nylon vormen de amidegroepen waterstofbruggen tussen de ketens. Daardoor is nylon sterk en heeft het een hoog smeltpunt.
• Natuurrubber is een polymeer van isopreen. Door te vulkaniseren met zwavel ontstaan er zwavelbruggen tussen de ketens, waardoor rubber sterker en elastischer wordt.
• Een weekmaker tussen de ketens van PVC maakt de kunststof buigzaam.

Afval en duurzaamheid

De meeste kunststoffen zijn niet biologisch afbreekbaar en blijven lang in het milieu. Er zijn verschillende opties:

• Mechanisch recyclen: thermoplasten smelt je om en gebruik je opnieuw. De kwaliteit neemt bij elke ronde af.
• Chemisch recyclen: je breekt het polymeer terug af tot monomeren of andere grondstoffen, bijvoorbeeld door hydrolyse van een polyester.
• Verbranden met energieterugwinning.
• Biobased en afbreekbaar: kunststoffen gemaakt van hernieuwbare grondstoffen, zoals PLA uit suikers.

Thermoharders zijn moeilijker te recyclen dan thermoplasten, omdat ze niet kunnen smelten.

Valkuilen

• Bij additiepolymerisatie komt niets vrij, bij condensatiepolymerisatie wel (meestal water).
• Een condensatiepolymeer ontstaat alleen uit monomeren met twee functionele groepen. Een monomeer met één groep stopt de keten.
• Bij een keten van $n$ herhalende eenheden uit twee monomeren komen $2n-1$ watermoleculen vrij, niet $n$.
• Schrijf bij een polymeer altijd de herhalende eenheid met de index $n$. De ketens zijn niet allemaal even lang, dus de molecuulmassa is een gemiddelde.
• Een thermoplast kun je opnieuw verwarmen en vormen, een thermoharder niet.

In het kort

• Een polymeer bestaat uit duizenden herhalende eenheden van een monomeer en heeft een gemiddelde molecuulmassa.
• Additiepolymeren komen uit monomeren met een $\mathrm{C}=\mathrm{C}$-binding, zonder afsplitsing.
• Condensatiepolymeren (polyesters, polyamiden) komen uit bifunctionele monomeren met afsplitsing van water.
• Thermoplasten smelten weer, thermoharders zijn een netwerk, elastomeren hebben weinig dwarsverbindingen.
• De eigenschappen volgen uit ketenlengte, vertakking, dwarsverbindingen en waterstofbruggen.