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Alle mehr als 700 Protokolle (Anfang 2007) können auf der Seitehttp://www.chids.de/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.htmleingesehen und heruntergeladen werden.Zudem stehen auf der Seite www.chids.de weitere Versuche, Lernzirkel undStaatsexamensarbeiten bereit.

Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007

Philipps-Universität Marburg

Fachbereich Chemie

Übungen im Experimentalvortrag

Sommersemester 1998

Leitung: Dr. J. Butenuth

Dr. E. Gerstner

Prof. Dr. H. Perst

Thema

20.05.1998

/:

Altautorecycling

Silke Börner

10. Sem. LA

Chemie, Biologie

Wehrdaer Weg 16

35037 MarburgI

Chemie in der Schule: www.chids.de

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung 153

2. Gesetzliche Grundlagen 154

a) Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz

b) Altautoverordnung

c) Freiwillige Selbstverpflichtung

~

3. Recycling 156

Definition und Gründe

4. Aufbau und Verschrottung

5. Umweltproblematik

a) Tockenlegen des Autos V1, V2, 01

b) Bleirecycling V3

6. Rund um die Altreifen V4

7. Kunststoffe - Vielfach verwertbar V5, V6a, V6b

5. Literaturverzeichnis

158

160

172

178

186


1. Einleitung

Mit Beginn der neunziger Jahre ist das Abfallproblem in den Vordergrund der

ökoloqischen Sachdiskussion in Politik und Öffentlichkeit gerückt. Sie führte zu dem

Ergebnis, daß die Vermeidung und Verwertung von Abfällen vorangetrieben und im

Rahmen einer nachhaltigen Entwicklung umweltverträgliche Produkt- und

Stoffkreisläufe geschaffen werden müssen.

Im Zuge der umweltschützenden Maßnahmen und des immer noch steigenden

Kraftfahrzeugbestandes in Deutschland - 1995 waren über 40 millionen

Kraftfahrzeuge in der Bundesrepublik zugelassen - stellt sich die Frage nach der

Entsorgung der unbrauchbar gewordenen Kraftfahrzeuge.

In Kapitel zwei beschäftigt sich der Vortrag mit den gesetzlichen Grundlagen des

Altautorecyclings. Nach einer allgemeinen Definition des Recyclings in Kapitel drei

und dem Aufbau sowie der Verschrottung der Autos in Kapitel vier folgen in

Abschnitt fünf die ersten Experimente unter Einbeziehung der Umweltproblematik.

Anschließend werden weitere Möglichkeiten des Altautorecyclings im Experiment

vorgestellt, die sich auch in den Chemieunterricht der Schule übertragen lassen. Bei

den verschiedenen Recyclingverfahren liegt der Schwerpunkt nicht auf der

Wiederverwertung des Eisens, des Stahls und der Nichteisenmetalle, die schon seit

langen fast zu 100% recycelt werden, sondern die Verfahren zum Gummi- und

Kunststoffrecycling stehen im Vordergrund. Diese "wertvollen Abfälle" werden auch

heute noch größtenteils als Shreddermüll deponiert oder der energetischen

Verwertung zugeführt.


2. Gesetzliche Grundlagen

!l Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (7. Oktober 1996}.;.

Das Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz verfolgt den Zweck die Kreislaufwirtschaft

zu fördern, um natürliche Ressourcen zu schonen und eine umweltverträgliche

Beseitigung von Abfällen sicherzustellen.

Kurz gefaßt wird der neue Abfallbegriff als Gegenstück zum Produktbegriff

gestattet:

"Abfall ist alles das, was nicht (oder nicht mehr) Produkt ist"

Das Gesetz strebt eine grundsätzliche Zielhierarchie an:

VERMEIDUNG vor VERWERTUNG vor BESEITIGUNG

Als konkrete Vermeidungsmaßnahme nennt der Gesetzgeber unter anderem die

anlageninterne Kreislaufführung von Stoffen und die abfallarme

Produktgestaltung.

Die stoffliche und energetische Verwertung werden vom Gesetzgeber

gleichgestellt, die jeweils umweltverträglichere Verwertungsart genießt den

Vorzug.

Die Pflicht zur Verwertung ist einzuhalten, soweit das technisch möglich und

wirtschaftlich zumutbar ist. Die wirtschaftliche Zumutbarkeit ist gegeben, wenn die

mit der Verwertung verbundenen Kosten nicht außer Verhältnis zu den Kosten für

die Abfallbeseitigung stehen.


3. Recycling

Definition:Aufbereitung und Weiterverwendung von Altstoffen

Gründe:

1. Rohstoffe sparen

2. Abfälle verringern

Die Komplexität heutiger Produkte - ein Automobil besteht aus bis zu 10.000 Teilen

und aus 40 verschiedenen Werkstoffen - erfordert den Auf- und Ausbau

verschiedener Stoff- und Produktkreisläufe in allen Lebensphasen eines Automobils,

damit die zu deponierende Menge auf ein Minimum reduziert werden kann.

Abbildung 1:

BleiakkumulatorenStahl- und Eisenteile

Motorenöle

r.

Reifen

NE - Metallez. B. Aluminium

Kunststoffe


Q) Altautoverordnung (1.4.1998}

Definition:

Altautos sind Automobile, die bei der Zulassungsstelle endgültig stillgelegt

wurden.

1997: 2,7 Millionen Altautos

Ziel:

-+ Steigerung von heute 75 auf 95 0A> (2015) bei der Verwertung von

Altautoabfällen

Inhalt:

• Vorlage eines Verwertungsnachweises bei endgültiger Stillegung

• Pflichten zur Überlassung von Altautos an umweltgerechte

Verwertungsbetriebe

• Mindestanforderungen an Lagerung, Behandlung und Vervvertung

g Freiwillige Selbstverpflichtung der Automobilindustrie

• Flächendeckendes Rücknahmesystem innerhalb von 2 Jahren

• Verpflichtung der Hersteller, Altautos ihrer Marke zurückzunehmen

• Kostenlose Rücknahme der ab dem 1.4.1998 zugelassenen Neuautos durch den

Hersteller (12 Jahre, unverändert)

• Umweltverträgliche Trockenlegung, Demontage und Verwertung von Altautos

• Ordnungsgemäße Beseitigung nicht verwertbarer Abfälle

• Einrichtung eines Koordinierungskreises zur Erfüllung der Selbstverpflichtung

• Unterrichtung der Bundesregierung über die getroffenen Maßnahmen (2jährig)


I

4. Aufbau und Verschrottung

Entwicklung der stofflichen Zusammensetzung eines Kraftfahrzeuges:

Verwendete Materialien Gewichtsprozent

1993 1970

Eisen und Stahl 67 81,5

"Nichteisenmetalle" (AI, Pb, Cu, Zn) 10 5

NE-Metalle

Gummi 8 5

Glas, Lack 7,5 7

Kunststoff 7,5 2,5

Stand des Altautorecyclings:

Durch den jetzigen Entsorgungsweg werden ca. 75°k des Fahrzeuggewichtes

recycelt. Die in den sechziger Jahren entwickelte Technik ist jedoch nur auf die

Rückgewinnung metallischer Bestandteile aus dem komplexen Konsumgut

Automobil' ausgerichtet, so daß die Recyclingquote bei Eisen fast·100ok und die von

NE-Metallen bei über 900k liegt. Die nichtmetallischen Werkstoffe wie

Kunststoffe, Gummi, Glas, Textilien und Lack fallen nach dem Shredderprozeß als

Shreddermüll an und werden fast ausnahmslos deponiert.


I

Verwendung

Die Verwendung ist durch die Beibehaltung der Produktgestalt gekennzeichnet;

deshalb wird die Recyclingstrategie, die sich auf die Verwendung von Bauteilen aus

Produkten erstreckt, als Produktrecycling bezeichnet. Erfolgt die erneute

Verwendung in der gleichen Funktion, wenn z.B. ein Pkw-Motor nach der

Aufarbeitung wieder in ein Kraftfahrzeug eingesetzt wird, so spricht man von

Wiederverwendung. Als Weiterverwendung wird die erneute Verwendung in einer

anderen Funktion, 2.8. Verwendung des Pkw-Motors als stationäres

Notstromaggregat, bezeichnet.

Verwertung

Die Verwertung dagegen löst die Produktgestalt auf, es kommt zum sogenannten

Material- bzw. Stoffrecycling. Je nachdem, ob bei der Verwertung eine

gleichartige oder geänderte Produktion durchlaufen wird, unterscheidet man

zwischen Wiederverwertung und Weiterverwertung. Wird der Stahl der Altautos

erneut in der Automobilindustrie eingesetzt, so wird diese Recyclingform als

Wiederverwertung bezeichnet; wird der Schrott dagegen zu Baustahl verarbeitet,

spricht man von 'Weiterverwertung.


/---....

Problematik

Früher:

• hoher Metallanteil

• geringer Kunststoffanteil

~gut verschrottbar

Heute:

• steigender Kunststoffanteil

• gestiegene Deponiekosten

~finanziell unattraktiv

Geforderte Konsequenz:

• Leichte Demontage der einzelnen Werkstoffe (Separierung)

• Einheitliche Kunststoffsorten

Vorgehensweise bei der Verschrottung

1. ÖI-, Benzin- und Bremsflüssigkeitsreste ablassen

2. Reifen, Glasscheiben, Batterien und Ersatzteile aussortieren

3. Autokarosserien im Shredder zerkleinern


5. Umweltproblematik

Bereits bei der Förderung und dem Transport von Erdöl wird unsere Umwelt

stellenweise stark geschädigt. Auf die Verschmutzung der Weltmeere und Küsten

soll nur kurz hingewiesen werden. Immer wieder erfahren wir heute in den Medien

von Verunreinigungen des Wassers, Erdreich .oder der Luft durch Erdölprodukte,

wodurch Pflanzen, Tiere und der Mensch gefährdet sind.

• Auslaufen von Altöl, Benzin, Bremsflüssigkeit und Batteriesäure

~ Trockenlegen des Autos (a)

• Schwermetall Blei aus dem Akkumulatorr>.

=> Bleirecycfing (b)

a) Trockenlegen des Autos

Gefahren

1. Bildung von explosiven Benzin-Luftgemischen

2. Grundwasser- und Bodenverseuchung durch Altöl

Benzin

Bei der Herstellung von Benzin sind 2 Herstellungsverfahren zu nennen:

I. Fraktionierte Destillation von Erdöl (15-20 0k Motorbenzin)

Fraktionen:

1. Petrolether

2. Leichtbenzin (Hexan, Heptan)

3. Mittelbenzin (Motorenbenzin)

4. Schwerbenzin

11. Cracken von Erdöl (40-60% Motorbenzin)

a) thermisch (Fragmentierung der hochsiedenden Anteile)

b) katalytisch (Katalysatoren: Zeolithe)

In H2-Atmosphäre: C24HSO+ 2H2 ~ 3CSH18


Zusammensetzung

Hauptbestandtei le:

• aliphatisch gesättigte Kohlenwasserstoffe mit 5-12 C-Atomen

Weitere Bestandteile:

• Alkene, Cycloalkane, Cycloalkene und Aromaten

Durch die vielen verschiedenen Bestandteile lassen sich die uneinheitlichen

Eigenschaften des Benzins erklären.

Hauptverwendungszweck: Motorkraftstoff

Zusammensetzung:

Reformat (Toluol, Xylolen und andere Alkylaromaten)

Crackbenzin

Leichtbenzin

Versuch 1:~Iosion eines Benzin-Luftgemisches

Chemikalien:

Benzin (möglichst niedrig siedend)

Geräte:

Papprohr mit Verschlüssen, ca. 80 cm lang (Versandrohr von Postern und

Kalendern), Holzstäbchen, Feuerzeug, Stück Stoff, Stativplatte,

Gewindestange , Stativring

Versuchsdurchführung:

Das Papprohr wird auf der unteren Seite fest verschlossen (Deckel mit

Klebeband befestigen). Am oberen Ende des Papprohres wird seitlich ca. 10

cm unterhalb des Deckels ein Loch mit einem Durchmesser von etwa 1 cm

gebohrt. Man gibt einen dünnes Stofftuch in das Rohr und betröpfelt das Tuch

mit ca. 5 ml Benzin. Danach verschließt man das Papprohr mit dem Deckel


und schüttelt sehr kräftig und intensiv, um die Dämpfe gleichmäßig zu

verteilen. Anschließend stellt man das Rohr schräg in das Stativ. Mit dem nur

lose aufgelegten Deckel den Zuschauern abgewandt, da das Stofftuch bei der

Explosion brennend herausgeschleudert werden kann. Man entzündet das

Holzstäbchen und hält es in die Bohrung.

Versuchsauswertung:

Der Rohrinhalt explodiert und der Deckel wird infolge der Explosion

hochgeschleudert. Der Versuch demonstriert die Unfallgefahr von Brennstoff

Luftgemischen

2 CaH18(g) + 25 02(g) ~ 16 C02(g) + 18 H20(g) ..lH < 0

Explosion:

Eine Umsetzung von potentieller Energie in Ausdehnungsarbeit mit einer

Geschwindigkeit von ca. 1-1000 mls, unter Auftreten von Stoßwellen.

Das Auftreten von Stoßwellen wird in der Regel durch große Mengen heißer Gase

bewirkt, die während der Explosion entstehen und durch schnell erfolgende

chemische Reaktion explosionsfähiger Stoffe bzw. Stoffgemische gebildet werden.

Prinzip eines Motors:

In den Zylindern von Motoren läuft eine kontrollierte Explosion von Gemischen aus

Benzinkraftstoffen und Luft mit Hilfe eines Zündfunkens ab. Die sich daraufhin

ausdehnenden Explosionsgase drücken auf den Kolben und leisten dadurch

mechanische Arbeit.


I

Versuch 2:Einfluß von Altöl auf die Bodenatmung

,Bodenatmung:

Der zwischen dem Boden und der Atmosphäre vor allem durch

Diffusionsvorgänge stattfindende Gasaustausch.

~ l1ikroorganismen im Boden, Bakterien und Pilze gewinnen ihre Lebensenergie

'"Jurch Abbau organischer Substanzen. Hierzu benötigen sie Sauerstoff und scheiden

Kohlenstoffdioxid aus. Um eine Vorstellung über die Aktivität der Mikroorganismen in

Böden zu gewinnen, bestimmt man die Menge des unter standardisierten

Bedingungen von ihnen abgeschiedenen Kohlenstoffdioxids. Hierzu wird

Kohlenstoffdioxid in einer Vorlage mit überschüssiger Natronlauge absorbiert.

~hemikalien:

Natronlauge c(NaOH) = 0,1 molll, Salzsäure c(HCI) = 0,1 moili; t = 0,895,

Phenolphthalein-Lösung, Altöl, Bodenprobe

Geräte:

6 x 250 ml Weithalserlenmeyerkolben, Bürette, 6 x 1,5 Liter Einweckgläser

mit Gummi und Klammer, Magnetrührer und Rührfisch,

r- Versuchsdurchführung:

In die Weithalserlenmeyerkolben gibt man jeweils 15 ml der Natronlauge.

Man wiegt 4 x 100 g der vorbereiteten Boderiprobe ab und setzt zu zwei

Proben jeweils 1 ml Altöl hinzu, verrührt intensiv zur Homogenisierung und

stellt schließlich die 4 Erlenmeyerkolben mit der Natronlauge offen in die

Weckgläser. Die Weckgläser werden mit Gummi und Klammer dicht

verschlossen und an einen Platz mit konstanter Temperatur gestellt. Mit den

letzten beiden Ansätzen wird ebenso verfahren, ohne jedoch eine

Bodenprobe einzututlen, sie dienen als Blindprobe. Nach 72 Stunden wird der

Bebrütungsansatz geöffnet, der Erlenmeyerkolben mit der Natronlauge

entnommen und mit Wasser auf 100 ml aufgefüllt. Anschließend wird mit der

Salzsäure und wenigen Tropfen des Säure-Base-Indikators Phenolphthalein

bis zum Umschlagspunkt von Rot nach farblos titriert und der Verbrauch der

Salzsäure notiert.


Versuchsbedingungen:

Dauer:

Temperatur:

Menge des eingesetzten Boden:

Volumen NaOH c = 0,1 mol/I:

Verwendete HCI:

72 h

20°C

100 9

15 ml

c =0,1 mol/l : t =0~895

!~ •

Versuchsansatz 1: Blindwert (ohne Boden)

Versuchsansatz 2: 100 9 Boden

Versuchsansatz 3: 100 9 Boden + 1 ml Altöl

Versuchsauswertung:

1.) Lösen des CO~ in Wasser

(Gashydrat)

2.) Reaktion mit Natronlauge

3.) Rücktitration mit HCI

'>


Berechnung des entstandenen C02

1. V(NaOH)vorgelegt =15 ml

2. V(NaOH)unverbraucht =VHCI * 0.895= 10,83 ml

3. V(NaOH)vorgelegt - V(NaOH)unverbraucht =V(NaOH)verbraucht)

15 ml =4,17 ml

4. V(NaOH)verbraucht * c(NaOH) =n(NaOH)verbraucht

,~,I

4.17 ml

5. 1 mol NaOH

* 0,1 mmollml =

0,5 mol C02

0,417 mmol

V1(Blindwertr vernachlässigbar

V2(Sodenr 0,42 mmol

V3(Boden + Altöl)' 0,22 mmol

Bestimmung der Aktivität: Menge des abgeschiedenen CO2

Wie man anhand des Versuchs sehen kann führen geringe Mengen an Altöl zur

Respirationshemmung. Höhere Dosierungen führen jedoch wieder zu einem Anstieg

der C02-Ausscheidung (in Vorversuchen durchgeführt). Möglicherweise werden

Bestandteile des Altöls von einem Teil der Bodenorganismen als Energiequelle

genutzt. Streßbedingte Erhöhung der Atmung könnte ein weiterer Grund für die

Erhöhung sein.


Demo 1: Grundwasserverseuchung durch Altöl

Erdöl, Benzin, Altöl und Diesel können bereit in sehr geringen Konzentrationen

Wasser ungenießbar machen. Dieselöl ist noch in einer Konzentration von 1ppm

durch Geruch wahrnehmbar. Diese Konzentration entspricht 1 Liter Dieselkraftstoff

in 106 Liter Wasser.

Zur Anschauung:

Wenn ein Schwimmbecken von 50 m Länge und 20 m Breite 1 m hoch mit

Wasser gefüllt ist, enthält es eine Million Liter Wasser.

Chemikalien:

Feiner Kies, Wasser, Altöl/Benzingemisch, Glaswolle

Geräte:

Säule ca. 30 cm lang, Becherglas, Tropftrichter

Durchführung:Auf eine dünne Glaswotleschicht in der Säule wird mit Wasser gereinigter

Kies gefüllt. Anschließend werden ca. 2 ml AltöllBenzingemisches auf die

Säule gegeben. Wenn die hydrophobe Schicht in die Säule eingelaufen ist,

wird mit dem Tropftrichter Regen simuliert und man kann beobachten wie das

Gemisch durch die Säule wandert. Die durchgelaufene Flüssigkeit wird in

einem Becherglas aufgefangen.

,~ Auswertung:

Das Altölgemisch wird durch die Kiesschicht nicht aufgefangen, das Wasser

im Becherglas weist Öltropfen auf. Des weiteren kann man am Geruch die

Wasserverunreinigung feststellen.


b) Bleirecycling

Blei und seine Verbindungen sind sowohl gelöst als auch als Stäube starke

Umweltgifte. Blei sammelt sich im menschlichen Körper an, es wirkt als Enzymgift.

Auch die ständige Aufnahme geringer Bleimengen führt zu chronischen

Vergiftungen. Die Belastungsgrenze für den Menschen, über der gesundheitliche

Schäden zu befürchten sind liegt bei 30 -35 p,g Blei auf 100 ml Blut angegeben. Das

sind etwa 2 mg Blei auf 7 Liter Blut (Erwachsener).

Trotz intensiver Forschungsarbeiten ist es bisher nicht gelungen, ein

Akkumulatorensystem zu entwickeln, das bei vergleichbaren Kosten eine

Leistungsfähigkeit besitzt, die der des Bleiakkumulators gleichkommt. So ist dieser

als Starterbatterie für Kraftfahrzeuge auch heute noch dominierend und 45-50°,1, der

Weltbleiproduktion werden zur Herstellung von Bleiakkumulatoren benötigt. Da die

Lebensdauer von Akkumulatoren beschränkt ist, fallen große Mengen

Akkumulatorenschrott an.

Aufbau der Elektroden des Bleiakkumulators:

Die Pole und die meist gitterförmigen tragenden Gerüste bestehen aus Hartblei.

Dieses enthält etwa 4-10% Antimon. Die Elektrodenoberflächen an denen sich die

elektrochemischen Vorgänge abspielen, werden aus Rein- oder Weichblei

hergestellt.

Um möglichst große Elektrodenoberflächen zu erzielen, wird folgendes Verfahren

angewendet:

Das Reinblei wird im geschmolzenen Zustand in speziellen Mühlen mit

Luftsauerstoff partiell oxidiert, so daß eine Mischung aus Bleistaub und

Blei(lI)oxidstaub erhalten wird. Dieser sogenannte "Bleistaub" wird mit Wasser

und Schwefelsäure angezeigt (hierbei bildet sich teilweise basisches Beisulfat)

und auf die Elektrodengitter gestrichen. Nachdem die Bleistaubpaste getrocknet ist

(der Trockenprozeß heißt Curing) werden durch elektrochemische Umwandlung

(sogenannte Formation) die Kathoden und Anoden hergestellt. Hierbei wird auf

einem Teil der Platten das Blei(lI)oxid zu Blei reduziert, auf dem anderen Teil Blei

und Blei(lI)oxid zu Blei(IV)oxid oxidiert.

Ab.bildung 2 zeigt den Materialfluß des gesamten Herstellungsprozesses.


Abb. 2: Materialfluß bei der Reinbleiherstellung:

Rohstoffe frisch ~stellte Elektr~@r

getrockneteElektroden gitter

geltlienePlotten rochder Ftrrrotioo

Zwischen die Elektroden werden sogenannte Separatoren aus porösem nicht

leitendem Material (gesintertes PVC) eingebaut. Das Akkumulatorengehäuse

besteht meist aus Polypropylen.

Lebensdauer eines Bleiakkumulators: 3 Jahre

=> Große Mengen Akkumulatorenschrott

Zusammensetzung von Akkumulatorenschrott:

GewichtsOk

Metallisches Blei 20-30

Bleidioxid 15-20 .

Bleioxid 10-15

Bleisulfat 25-30

Kunststoffe 10-15

(Separator, Gehäuseplatten)


r>

Versuch 3:Lösen des Akkumulatorenschrotts in NaOH

Problem:

Geringe Löslichkeit der Bleiverbindungen in Laugen.

Die Bleioxide sind nur wenig löslich, lediglich das Bleisulfat löst sich unter

Bildung von Alkalihydroxoplumbaten.

Die Löslichkeit in Laugen steigt jedoch sprunghaft an, wenn man

Polyhydroxyverbindungen wie Polyglykole oder Zucker zusetzt. Die gelöste

Menge der Bleiverbindungen ist dabei nicht nur von dem mengenmäßigen

Zusatz an Polyoien, sondern auch von deren Aufbau abhängig.

Ausschlaggebend ist hierbei die Anzahl der Alkoholfunktionen in den Molekülen.

Je mehr Hxdroxylgruppen das Polyol enthält, um so besser ist die Löslichkeit der

Bleiverbindungen.

Geräte:

500 ml Becherglas, Magnetrührer mit Heizplatte, Rührfisch

Chemikalien:

10 9 feingemörsertes Elektrodenmaterial, Natronlauge, Haushaltszucker

I./,- Ansatz des Lösungsmittels:

100 9 Zucker in 400 ml Wasser lösen (20%ige Lösung). In dieser Lösung

werden 100 g NaOH-Plätzchen gelöst.

Veruchsdurchführung:

In die NaOH-Zuckerlösung werden 10 g der feingemörserten

Bleiverbindungen gegeben und unter Rühren und Erhitzen in Lösung

gebracht.

Versuchsauswertung:

Im Falle des Blei(lJ)oxids läuft der Lösungsvorgang über die Bildung von

Komplexen ab. Ein genau untersuchtes Beispiel für eine solche

Komplexbildung ist die Reaktion des Oxids mit Gluconsäure/NaOH. Die

folgende Struktur wird vorgeschlagen.


3 Pb2+ + 16 OH- + 2 C6H1207

lli 1lr

0

IIC -0-

~O--C

I ----- Pb2+ IHC -0- ---- ~O--CH

I IHC -0- O--CH + 8 (H20)I ~ Pb2+

~

Pb2+ 1HC-O-/ ----O--CH

('-

I 1He-OH HO-CH

j ICH20H CH20H

Während die Blei(lI)vebindungen an keinerlei Redoxreaktionen mit dem

Reaktionsmedium beteiligt sind, oxidiert das Bleidioxid die Polyale, wobei es selbst

in die Stufe des zweiwertigen Bleis übergeht und komplex gelöst wird.

Pb4+ + C6H1206 + 2 OH- ~ Pb2+ + C6H1207 + H20

(Glucose) (Glucansäure)

Die dabei aus den Polyoien gebildeten Reaktionsprodukte sind sehr

unterschiedlicher Natur. So können Zucker als typische Polyhydroxyverbindungen

zu Onsäuen oder Zuckersäuren oxidiert werden. Schärfere Reaktionsbedingungen

führen zur Spaltung des Kohlenstoffgerüsts

Die gebildeten Komplexe sind in der wäßrig-alkalischen Lösung allerdings so wenig

stabil, daß sie zum Teil in Ionen und Zucker zerfallen. Es ist für die anschließende

Elektrolyse wichtig, daß sich das Gleichgewicht zwischen komplexgebundenen und

freien Ionen schnell einstellt, so daß eine schnelle Metallabscheidung möglich ist.


r:

Elektrolyse

Geräte:Becherglas und Magnetrührer aus Versuch 3a, Stativmaterial,

GleichstromquelJe, Elektroden (Eisenblech, Kohleelektrode), 5 Kabel, 2

Krokodilklemmen, Voltmeter, Amperemeter

Chemikalien:

Gelöste Bleiverbindungen aus Versuch 3a

Versuchsdurchführung:Die Elektroden werden in die heiße Lösung eingesetzt und mit der

Gleichstromquelle, dem Voltmeter und dem Amperemeter verbunden. Die

Kohleelektrode am positiven Pot, das Eisenblech als Kathode geschaltet. Es

wird ca. 5 min. bei 6-8 Volt elektrolysiert.

Versuchsauswertung:Nach Einschalten der Gleichstromquelle kommt es an der Anode zu einer

Gasentwicklung. An der Kathode scheidet sich das graue, metallisch

glänzende schwammige Blei ab.

Vorgänge an den Elektroden:

Anode: 02t

Kathode: Pb ~

-1 0Anodenreaktion: 40H- ~ 02 + 2 H20 +4e- (Oxidation)

'"1. 0Kathodenreaktion: 2 Pb2+ + 4e- ~ 2 Pb (Reduktion)


6. Rund um die Altreifen

In der Bundesrepublik fallen pro Jahr mehr als 400.000 Tonnen Altreifen an.

Innerhalb der Gesamtgummiindustrie hat die Reifenproduktion einen Anteil von 40%.

Durch die Entwicklung der Autoindustrie ist der Bedarf an Kautschuk stetig

gestiegen, so daß 1937 die erstmalige Herstellung von Synthesekautschuk

gelungen ist. Ausgangsprodukt für die Gummiherstellung ist das Butadien.

Ausgangsprodukt: Butadien

Grundbausteine des Kautschuks

künstl icher

H H H

~ I /C=C-C===C

/ I '"H H H

1,3 Butadien

natürlicher

H CH3 H

'" I /c =C-C==C

/ I '"H H H

2 Methyl-1,3-butadien

Man gewinnt das 1,3-Butadien durch das Cracken von Leichtbenzinen.

Zusammensetzung des Gummis:

Früher: BUNA-Kautschuk; Katalysator Natrium

Heute: Mischpolymerisate aus Butadien, Styrol, Acrylnitril


Bestandteile eines Reifens

Styrolbutadienkautschuk

Ruß

Polybutadien

Zinkoxid

Schwefel

Lichtschutzmittel

45 %

33°k

11%

9%

10/0

1%

Die Haupteigenschaft des Gummis ist die Elastizität. Die Gründe dafür liegen in der

Vulkanisation. Rohkautschuk ist eine sehr spröde und unelastische Verbindung.

r>. Durch Zusatz von Schwefel zum Rohkautschuk (Vulkanisation) werden die

kettenförmigen Makromoleküle durch Schwefelbrücken vernetzt.

IS

I-CH2-CH-CH - CH2-···

I(S)x

I-CH2-CH-CH-CH2~'

IS\


Formen der Wiederverwertung:

I

• Artgerechte Verwendung:

Runderneuerung (300k)

• Artfremde Verwendung:

Schaukeln, Kletteranlagen

Beschweren von Futterabdeckungen

• VerbrennungVorteil:

Nachteil:

Guter Heizwert

Hohe Umweltbelastung (Ruß, S02)

Heizwerte verschiedener Materialien:

Polyethylen

Heizöl

Gummi

Holz

46000 kJ/kg

43900 kJ/kg

34300 kJ/kg

16700 kJ/kg

• Pyrolyse:

Produkte:

Gasfraktion:

Thermische Zersetzung von Polymerprodukten

unter Sauerstoffabschluß

(Methan, Ethan, Ethen, Propan, Propen,

Butan und Butadien)

Flüssigfraktion:

Feststoffe:

Pyrolyseöl: 400,- DM/t

(Pyrolyseöl):

900k aromatische Kohlenwasserstoffe

Benzol, Toluol, Styrol, Naphthalin

(Zinkoxid, Ruß und Stahl)


Versuch 4:Altreifenpyrolyse

Geräte:

Reagenzgläser, 2 durchbohrte Gummistopfen, ein Saugrohr, 600 ml

Becherglas (hohe Form), Stativmaterial, Verbindungsschlauchstücke ,

Kolbenprober mit Hahn, Sand-Löschbad, Eisbad

Chemikalien:

Quarzsand, Altreifenstücke, Glaswolle, Verdünnte KMn04-Lösung


In ein Reagenzglas werden 2-4 g zerkleinerte mit Quarzsand vermengte

Altreifenstücke gebracht. Nachdem die Öffnung locker mit Glaswolle

verschlossen wurde, baut man die Apparatur zusammen (siehe Abbildung).

Anschließend erhitzt man das Reagenzglas kräftig bis zur Rotglut. Unter dem

Reagenzglas steht ein Sandbad, falls das Reagenzglas den hohen

Temperaturen nicht standhält, da Gummi brennbar ist. Bei der einsetzenden

Reaktion dient die Glaswolle der Reinigung der entstehenden flüchtigen

Produkte. Kondensierbare Produkte werden im gekühlten Saugrohr,

gasförmige Produkte im Kolbenprober aufgefangen. Der ungesättigte

Charakter der Pyrolyseprodukte wird durch Einleiten der Gasfraktion in eine

schwach rosagefärbte KMn04-Lösung, die sich daraufhin entfärbt bzw. braun

färbt nachgewiesen.

Versuchsaufbau:

Sand mitAltreifenstücken

GlaSWOlle

FlüssigeCrackprodukte

GasförmigeCrackprodukte


Versuchsauswertung:

Als Ergebnis der Pyrolyse erhält man bei der Verwendung zweier einfacher

Bunsenbrenner als Heizquelle einige Milliliter flüssige Produkte und ca. 100

ml Gas. Bei Verwendung einer stärkeren Heizqueue. z.B. eines

Gebläsebrenners verschiebt sich die Produktpalette zugunsten der

Gasfraktion.

Nachweisreaktion der ungesättigten Verbindungen in der Gasfraktion am

. Beispiel des Ethens:.

cyclischerMangan(V)säureester

+ H20 H2C-OH.. I- Mn03- H2C- OH

Oiol

Bei der Reaktion entsteht im ersten Schritt als Zwischenprodukt ein cyclischer

Mangansäureester in dem Mangan mit der Oxidationsstufe +5 vorliegt. Im

nächsten Schritt entsteht unter Wasserzugabe das Diol und Manganoxid mit

der Oxidationsstufe +5. Dieses Oxid zerfällt unter Disproportionierung in das

stabile Braunsteinmolekül (Mn02) und ein Mangan(VI)oxid, das wiederum mit

einer weiteren ungesättigten Verbindung über den Ester zum Braunstein als

stabiles Endprodukt reagiert.


Stofftrennung bei der Aufarbeitung von Autoschrott

IShreddergut I Stahl, Eisen,

NE-Metalle,

Gummi,

Kunststoffe,

Textilien, Staub

Gebläse im Shredder

Windsichten

(Staub, Textilien, etc.)

IRestgemisch

00 0

IRestgemisch I

Magnetabscheiden

(Stahl, Eisen)

Schwimm-Sink-Verfahren

Dichteunterschiede

(Gummi, Kunststoffe)

q:, 0 00o

o

...... ~~ :.,-:: ~~.... -~ ..~ ..'

Wasser

konz. Salzlösung

IRestgemisch I

IRestgemisch I

Schwimm-Sink-Verfahren

Dichteunterschiede

(NE-Metalle)


7. Kunststoffe- Vielfach verwertbar

Zu den großen Errungenschaften der industriellen organischen Chemie gehören

ohne Zweifel die Kunststoffe. Hierunter versteht man zunächst einmal

vollsynthetische Polymere wie etwa Polystyrol und Polyester. Weiterhin werden

auch abgewandelte Naturstoffe wie Acetylcellulose meist unter diesen Begriff

eingeordnet. Viele technische Entwicklungen sind erst auf Basis von Kunststoffen

möglich geworden. So hätte etwa der gesamte audiovisuelle Bereich ohne diese

Werkstoffe den heutigen Stand nicht erreichen können. Die Vorteile der Kunststoffe

liegen dabei auf der Hand: Ihre Eigenschaften lassen sich in weiten Grenzen gezielt

beeinflussen, weshalb man auch von "Werkstoffen nach Maß spricht". Im Auto

ersetzen sie herkömmliche Werkstoffe wie Metalle hauptsächlich wegen ihres

geringen Gewichtes. Sie haben im Moment einen Anteil von 7,5°k am Auto und man

geht davon aus, daß der Anteil auf bis zu 15°k in den nächsten Jahren steigen wird.

Einteilung von Kunststoffen

Eine grobe Einteilung von Kunststoffen kann nach ihren makroskopischen

Eigenschaften erfolgen. Man unterscheidet so Thermoplaste, Duroplaste und

Elastomere. Für Verarbeiter und Verbraucher ist diese Einteilung vorteilhaft, da sie

sowohl Hinweise auf die Art der Verarbeitung als auch auf die Eigenschaften der

verwendeten makromolekularen Verbindungen gibt.

Üblich ist weiterhin die Einteilung von Kunststoffen nach ihrem Syntheseweg, der

bei ihrer Herstellung beschritten wurde, in Polymerisate, Polykondensate und

r> Polyaddukte. Polymere Werkstoffe bestehen aus Makromolekülen, die aus kleinen

Einheiten (Monomeren) synthetisiert werden.

Rückgewinnungsmöglichkeiten von Kunststoffen:

1. Verbrennung

2. Umschmelzen

3. Pyrolyse

4. Hydrolyse


Kunststoffe in Autos

Pol urethane 32%

27%

19%

9%

130/0

r:

Hauptbestandteil: Thermoplaste

Sie sind aus mehr oder weniger fadenförmigen Molekülen aufgebaut. Ist der

Kunststoff kristall in, ist die Anordnung der einzelnen Moleküle regelmäßig und

parallel. In nicht kristallinen Kunststoffen liegen überwiegend verknäulte

Makromoleküle vor. Beide sind jedoch durch Sekundärbindungen verknüpft. Beim

Erwärmen von Thermoplasten werden die Moleküle beweglich und können

aneinander vorbeigleiten. Thermoplastische Kunststoffe erweichen somit beim

Erwärmen und ergeben bei weitere Temperatursteigerung eine Schmelze. Bringt

man diese in eine Form und kühlt ab, behält der entstandene Kunststoffkörper die

ihm gegebene Gestalt. Sie sind beliebig oft verformbar durch Wärme und Druck. Die

meisten Polymere wie Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, sowie kettenförmige

Polyester, Polyamide und einige Polyurethane gehören zu dieser Gruppe von

Werkstoffen.

Thermoplaste werden vor allem durch Extrudieren, Spritzgießen, Hohlblasen und

Tiefziehen verarbeitet. In einigen Fällen werden direkt aus der Schmelze Fasern

aufgezogen.

Abb. 3: Thermoplaste

linearkettenfOrmig


Versuch 5:Umschmelzen von ThermOlliasten

Umschmelzen:

Erneute Formgebung durch Zufuhr von Wärme und Druck

Geräte:

Bunsenbrenner, Dreifuß mit Metallplatte, Metallausstechform, Spatel

Chemikalien:

Feinkörnig zerkleinertes Polymethacrylsäuremethylester (PMMA), z.B.

Rücklichtabdeckung, Talkum


Die Metallplatte wird mit Talkum bestreut um, ein Ankleben des fertigen

Produktes zu verhindern. Dann wird die Ausstechform darauf gestellt und mit

dem zerkleinerten Kunststoff ausgefüllt und anschließend mit dem

Bunsenbrenner erhitzt. Nach einigen Minuten erweicht der Kunststoff und

sintert zusammen. Mit Hilfe des Spatels wird Druck auf die Oberfläche

ausgeübt, um zum einen eine gleichmäßige Oberfläche zu erhalten und zum

anderen die Formgebung zu beschleunigen. Den erschmolzenen Gegenstand

kann man nach dem Abkühlen aus der Form brechen. Bei diesem Verfahren

ist die äußere Form der Abfallstücke vielfach noch zu sehen.

Versuchsauswertung.

Temperaturerhöhung

~ Zunahme der Molekularbewegung

~ Schwächung der Sekundärbindungen -

-+ Aneinander vorbeigleiten der einzelnen Ketten

Abkühlung:

~ Abnahme der Wärmebewegung

~ Neubildung der Sekundärbindungen

~ Neue Formgebung

Vorteil:

Nachteil:

geringer Energieaufwand (vgl. V6)

Optisch und mechanisch minderwertiger als Neuprodukte


Versuch 6a:Q!molymerisation von Polymethacrylsäuremethylester

Nur wenige Polyolefine haben die Stoffeigenschaft, beim Erhitzen in Umkehrung

ihrer Bildungsreaktion wieder in Monomere zu zerfallen. Dies ist nachteilig, da die

Rückbildung von Monomeren mit anschließender Repolymerisation ein ideales

Recyclingverfahren darstellt, wenn verschmutzte, verschieden gefärbte und mit

unterschiedlichen Füllmaterialien vermischte Kunststoffabfälle anfallen, die sich

nicht mehr über die Schmelze zu hochwertigen Produkten verarbeiten lassen. Einer

der wenigen Kunststoffe, mit dieser besonderen Stoffeigenschaft ist

Polymethacrylsäuremethylester (PMMA, Acrylglas, Plexiglas@).

Geräte:

2 Reagenzgläser, passender durchbohrter Stopfen mit rechtwinklig

gebogenem Glasrohr, Becherglas mit Eis zur Kühlung, Bunsenbrenner,

Stativmaterial

Chemikalien:

PMMA-Abfälle (zerkleinerte Rücklichtabdeckung)


Das Reagenzglas wird zur Hälfte mit PMMA-Abfällen gefüllt und die

abgebildete Apparatur aufgebaut. Man erwärmt zunächst das den Kunststoff

enthaltende Reagenzglas vorsichtig am oberen Reagenzglasrand beginnend.

Nach kurzer Zeit bilden sich weiße Nebel und ein hellgelb bis rotes Destillat,

welches im zweiten Reagenzglas aufgefangen wird.

Versuchsaufbau:

L-o---~~Wasser


Versuchsauswertung:PMMA zerfällt beim Erhitzen nahezu quantitativ durch Umkehr der

radikalischen Bildungsreaktion in die monomeren Ester. Dabei werden die

polymeren Ketten vom Ende her abgebaut, zerbrechen also nicht statistisch.

Die Rückbildung von Monomeren aus Polyolefinen verläuft wie im

vorliegenden Fall in hohen Ausbeuten! wenn bei der Pyrolyse der

Kettenabbau so stattfindet, daß aus quartären Kohlenstoffatomen tertiäre

Radikale entstehen. Diese sind reaktionsträger und stabiler als primäre und

sekundäre Radikale, so daß der weitere Kettenabbau unter Abspaltung eines

Monomeren stattfindet, und andere Reaktionen - wie etwa Rekombinationen

nicht ablaufen.

Mechanismus: Umkehr der radikalischen Polymerisation~ -,I \0' OCH31t \cJ OCH3

~ / ~ /C I CH3 C CH3I I I I

R CH2-9- -- CH2-9-CH2-9-CH2-9-R'

CH3 C CH3 C// -, ~ -,

n 10...... OCH3 /0...... OCH3

\cl OCH3 ~d' OCH3~ / "- /

C CH3 CI I 11

R CH2-9- -- CH2-y-CH2-9CH3 C CH3

// "-n 10,.. OCH3

1l (1)

CH3I

+ -CH -C-R'2 I

C// "-

'0,.. OCH3

c OCH3 ö' OCH3~ ~ / ~ ~ /

C CH3 CI I I

(1) • R CH -C--- CH2-C- + CH2 = C2 I I I

CH3 C CH3// -,

n 10,.. OCH3

(2)

cJ OCH3(J OCH3

~ ~ / ~ ~ /

C CI I

(2) • R-CH?-C· + n CH2=CChemie in der Schule: www.chids.de

Versuch 6b:Polymerisation von Methacrylsäuremethylester

Geräte:

Reagenzglas. Bunsenbrenner

Chemikalien:

Methacrylsäuremethylester, Dibenzoylperoxid


In einem Reagenzglas werden 10 ml Methacrylsäuremethylester (aus Versuch

6a) und 0,5 g Dibenzoylperoxid gemischt. Man erhitzt den Reagenzglasinhalt

vorsichtig zum Sieden (Vorsicht die Dämpfe sind entzündlich) und entfernt

den Brenner. Falls der Reagenzglasinhalt nicht weitersiedet erhitzt man

weniger vorsichtig solange bis die Polymerisationsreaktion startet. Der Start

der Polymerisationsreaktion ist daran zu erkennen, daß das Gemisch ohne

weiteres Erhitzen weitersiedet, wobei die Viskosität der Lösung zunimmt.

Nach einigen Minuten wird das Gemisch zähflüssig und erstarrt bald zu einem

festen, blasigen Polymerisat.

1. Zerfall des Dibenzoylperoxids in 2 Radikale

2. Angriff des Radikals an der Doppelbindung des Monomers


3. Kettenwachsrum

4. KettenabbruchDimerisierung


I.

r

Disproportionierung

Die Startreaktion der radikalischen Polymerisation läuft folgendermaßen ab: Aus

einem Molekül Dibenzoylperoxid entstehen zunächst zwei Benzoylradikale. Nach

Abspaltung von Kohlenstoffdioxid dient das entstehende Phenylradikal als

Kettenstarter. Im zweiten Schritt erfolgt der Angriff des Radikals an die

Doppelbindung des Monomers, wobei ein weiteres Radikal entsteht. Während des

Kettenwachstums erfolgt immer wieder der Angriff eines Radikals an die

Doppelbindung des Monomers. Zum Kettenabbruch kommt es zum einen durch

Rekombination von Radikalen oder aber durch Disproportionierung.


8. Literaturverzeichnis

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Schimkat: Eigenschaften von Motorölen, In: PdN-Ch 84/7S.213-212.

Umweltbundesamt: Abfallgesetz,Altautoverordnung


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