Inhalt und Einsatz im Unterricht

"Polyether & Polyester" (Chemie, Sek. I + II)Diese DVD behandelt das Unterrichtsthema "Polyether & Polyester" für dieSekundarstufen I + II.Das DVD-Hauptmenü bietet folgende 4 Filme zur Auswahl:

Polykondensation 9:50 minPolyether 7:20 minPolyester PET 8:20 minSynthetische und natürliche Polyester 6:10 min

(+ Grafikmenü mit 17 Farbgrafiken)

Sehr anschauliche 3D-Computeranimationen verdeutlichen den Aufbau und dieEigenschaften von Polyethern und Polyestern. Ihre Entstehung perPolykondensation wird an verschiedenen Beispielen erläutert. Dabei gehen dieFilme auch ausführlich auf die Begriffe Monomer, Polymer, Homopolymer undCopolymer ein. Die Schüler erfahren auch, wo Polyether und Polyester in Naturund Industrie zum Einsatz kommen. Die speziellen Eigenschaften vonthermoplastischen und duroplastischen Kunststoffen werden erläutert.Die Inhalte der Filme sind altersstufen- und lehrplangerecht aufbereitet. BeiPolykondensationsreaktionen werden zwecks Übersichtlichkeit in didaktischerReduktion Katalysatoren nicht dargestellt. Die wesentlichen, typischenchemisch-physikalischen Merkmale der jeweiligen Moleküle werden ausführlichund schrittweise erläutert. Dies geschieht je nach Erfordernis im Kugel-Stab-Modell oder in Lewis-Schreibweise. Quasi "nebenbei" wird dadurch auch dasBewusstsein der Schüler bzgl. der Leistungs- / Erklärfähigkeit dieserunterschiedlichen Darstellungsformen geschult. Die Filme verzichten auf eineRahmenhandlung, bereiten aber den Unterrichtsstoff für Jugendliche durch 3D-Computeranimationen optisch sehr attraktiv auf. Didaktisch bauen die Filme aufeinander auf, so dass sich ein Unterrichtseinsatzder Filme in der o.g. Reihenfolge empfiehlt.

Ergänzend zu den o.g. 4 Filmen finden Sie auf dieser DVD:

- 17 Farbgrafiken, die das Unterrichtsgespräch illustrieren (in den Grafik-Menüs)

- 11 ausdruckbare PDF-Arbeitsblätter, jeweils in Schüler- und in Lehrerfassung (im DVD-ROM-Bereich)

Im GIDA-"Testcenter" (auf www.gida.de) finden Sie auch zu dieser DVD"Polyether & Polyester" interaktive und selbstauswertende Tests zurBearbeitung am PC. Diese Tests können Sie online bearbeiten oder auch lokalauf Ihren Rechner downloaden, abspeichern und offline bearbeiten, ausdruckenetc.

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Begleitmaterial (PDF) auf dieser DVDÜber den "Windows-Explorer" Ihres Windows-Betriebssystems können Sie dieDateistruktur der DVD einsehen. Sie finden dort u.a. den Ordner "DVD-ROM".In diesem Ordner befindet sich u.a. die Datei

start.htmlWenn Sie diese Datei doppelklicken, öffnet Ihr Standard-Browser mit einemMenü, das Ihnen noch einmal alle Filme und auch das gesamte Begleitmaterialder DVD zur Auswahl anbietet (PDF-Dateien von Arbeitsblättern, Grafiken undDVD-Begleitheft, Internetlink zum GIDA-TESTCENTER etc.).Durch einfaches Anklicken der gewünschten Begleitmaterial-Datei öffnet sichautomatisch der Adobe Reader mit dem entsprechenden Inhalt (sofern Sie denAdobe Reader auf Ihrem Rechner installiert haben). Die Arbeitsblätter liegen jeweils in Schülerfassung und in Lehrerfassung (miteingetragenen Lösungen) vor. Sie ermöglichen Lernerfolgskontrollen bezüglichder Kerninhalte der DVD und sind direkt am Rechner elektronisch ausfüllbar.Über die Druckfunktion des Adobe Reader können Sie aber auch einzelne oderalle Arbeitsblätter für Ihren Unterricht vervielfältigen.

Fachberatung bei der inhaltlichen Konzeption und Gestaltung dieser DVD:Frau Erika Doenhardt-Klein, Oberstudienrätin (Biologie, Chemie und Physik, Lehrbefähigung Sek. I + II)

Unser Dank für zur Verfügung gestelltes Bild-/Filmmaterial geht an:Mitsubishi Polyester Film GmbHCompany of Mitsubishi Plastics Inc., WiesbadenKrones AG, NeutraublingCGN Preform GmbH & Co. KG, Wolfgang Bonerath, Kerpen

Inhaltsverzeichnis Seite:

DVD-Inhalt - Strukturdiagramm 4

Die Filme

Polykondensation 5Polyether 8Polyester PET 10Synthetische und natürliche Polyester 13

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DVD-Inhalt - Strukturdiagramm

4

Hauptmenü

Menü

Polykondensation

Menü Grafiken

GrafikenPolymer

Filme

Polyether

Bifunktionelle Moleküle

Polyester

Unsymmetrischer Ester

Symmetrischer Ester

Polymertypen

Thermoplast - Duroplast

Lineare Glukose

Glukose-Polymere

Polyether

Polyester PET

Synthetische und natürliche Polyester

Glukose-Isomere

PET

PET-Struktur

Polycarbonat

Polyesterharz

Polyester DNA

Natürliche Polyester

PolykondensationLaufzeit: 9:50 min, 2012

Lernziele: - Die Polykondensationsreaktion kennenlernen und verstehen;- Die Begriffe Monomer, Polymer, Homopolymer und Copolymer verstehen;

Thermoplaste von Duroplasten unterscheiden können;- Symmetrische und unsymmetrische Ether und Ester unterscheiden können.

Inhalt:Der Film beschäftigt sich mit der Polykondensation von Ethern und Estern. Als Einstieg in das Thema dient ein kurzer Rückblick auf dieKondensationsreaktion zweier Ethanol-Moleküle unter Hinzugabe desKatalysators Schwefelsäure (DVD "Ether, Ester & Fette"). Unter Abspaltungeines Wassermoleküls entsteht Diethylether. Bei der Polykondensation laufen viele gleichartige Kondensationsreaktionenhintereinander ab. Am Ende entsteht ein sogenanntes Polymer, das aus vielengleichartigen Bausteinen zusammengesetzt ist. Diese Bausteine nennt manMonomere.

Eine 3D-Computeranimation zeigt das Prinzip der Kondensation vonPolyethern am Beispiel von Propan-1,2-diol. Zunächst läuft dieKondensationsreaktion zwischen zwei Propan-1,2-diol-Molekülen ab, bei der einWassermolekül abgespalten wird. Beide Moleküle tragen aber "außen" jeweilsnoch eine OH-Gruppe. Deshalb können sie mit weiteren Diolen reagieren(Polykondensation).

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Abbildung 1: (Poly)kondensation am Beispiel von Propan-1,2-diol

Die Polykondensation reguliert sich durch die Menge der vorhandenenMoleküle. Sie stoppt, wenn keine Diole mehr vorhanden sind oder eineinwertiger Alkohol wie z.B. Propanol (oder Ethanol) hinzugefügt wird. Da dieseMoleküle nur über eine einzige OH-Gruppe verfügen, kann keine weitereKondensationsreaktion stattfinden. Der Film nennt einige Beispiele für dieVerwendung verschiedener solcher Polymere (trivial: Polypropylenglykole), z.B.in Wasch- und Reinigungsmitteln.

Anschließend zeigt eine 3D-Computeranimation das Prinzip der Ester-Polykondensation am Beispiel von Ethandisäure und Ethandiol.

Ether und Ester, die aus zwei verschiedenen bifunktionellen Monomerengebildet werden, nennt man auch unsymmetrische Ether bzw. Ester. In derPolykondensation binden sich die beiden Monomere als ein Gesamtbausteinmehrfach aneinander. Aus den Monomeren Ethandisäure und Ethandiolentsteht dann Polyethylenoxalat.

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Abbildung 2: Abgeschlossenes Polypropylenglykol

Abbildung 3: Bifunktionelle Moleküle

Anschließend zeigt der Film, wieaus Hydroxyethansäure einsymmetrischer Ester entsteht.Da ein Hydroxyethansäure-molekül sowohl eine Carboxy-als auch eine Hydroxygruppebesitzt, kann man es als einen"Zwitter" aus Säure und Alkoholbezeichnen. Zwei MoleküleHydroxyethansäure können alsomiteinander einen Ester bilden.

An dieser Stelle werden die Begriffe Monomer, Polymer, Homopolymer undCopolymer ausführlich erklärt: Ein Monomer ist ein Molekül(rest), das (der) imPolymer in immer gleicher Form aneinandergehängt wird. Ein Polymer, das ausnur einem Monomertyp zusammengesetzt ist, heißt Homopolymer. Besteht einPolymer aus zwei verschiedenen Monomertypen, die in stets gleicher Abfolgeaneinandergereiht sind, nennt man es Copolymer.

Zum Schluss stellt der Film noch ein Beispiel für trifunktionelle Monomere vor:Das Propantriol (Glycerin).Trifunktionelle Monomere be-sitzen drei reaktive Bereiche.Reagiert Propantriol z.B. mitEthandisäure, entsteht einesehr stabile, netzartigePolymerstruktur mit starkenBindungen zwischen deneinzelnen Polymersträngen.Hier wird auch der Unterschiedzwischen Thermoplasten undDuroplasten herausgearbeitet.

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Abbildung 4: Symmetrischer Ester

Abbildung 5: Polymertypen

Abbildung 6: Propantriol

PolyetherLaufzeit: 7:20 min, 2012

Lernziele: - Die Bildung von Polyethern verstehen;- Verschiedene Polyether aus dem Baustein Glukose kennenlernen.

Inhalt:Der Film beschäftigt sich zu Beginn mit natürlichen Ethern und Polyethern.Realaufnahmen zeigen Impressionen aus der Pflanzenwelt, in der Polyethermassenweise vorkommen.

Eine 3D-Computeranimationzeigt dann den Bausteinsolcher Polyether: 2,3,4,5,6-Pentahydroxyhexanal.

Im weiteren Verlaufbeschreibt der Film zunächstdie Umwandlung desMoleküls per Ringschluss zurbekannten α-D-Glukose(Traubenzucker).

Glukose findet man in der Natur meist in Form größerer Moleküle(Makromoleküle). Eine 3D-Computeranimation demonstriert, wie sich ausGlukose zunächst das Disaccharid Maltose bildet, dann das Polymer Amylose(Bestandteil der Stärke). Anschließend zeigen Realaufnahmen verschiedeneZucker-Ether und -Polyether wie Maltose, Saccharose, Stärke und Cellulose.

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Abbildung 7: Lineare Glukose

Abbildung 8: α-D-Glukose (Traubenzucker)

Die unterschiedliche Wasser-löslichkeit der Glukosever-bindungen gibt Aufschlussüber die jeweilige Funktionim Stoffwechsel. Zucker alsschnelle Energielieferantensind gut wasserlöslich.Amylose (und Amylopektin)sind als Reservestoffe weitweniger gut löslich. Celluloselöst sich gar nicht in Wasser.Als Bau- und Gerüststoff gibtsie Pflanzen ihre stabileStruktur.

Für diesen Funktionsunterschied ist ein feiner Unterschied im Molekülaufbauder Monomere verantwortlich:

Die OH-Gruppe am C1-Atom des Glukoserings kann entweder nach oben odernach unten "geklappt" sein und bildet so entweder das Monomer der Amylose(α-D-Glukose) oder das Monomer der Cellulose (β-D-Glukose). So könnendiese Isomere Polyether-Molekülstrukturen mit gänzlich unterschiedlichenEigenschaften bilden.

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Abbildung 10: α-D-Glukose und β-D-Glukose

Abbildung 9: Amylose-Polymer

Polyester PETLaufzeit: 8:20 min, 2012

Lernziele: - Polyethylenterephthalat (PET) als vielseitig einsetzbaren, thermoplastischen

Polyester kennenlernen;- Das Recycling von PET-Getränkeflaschen kennenlernen.

Inhalt:Der Film beschäftigt sich ausführlich mit dem sehr gängigen PolyesterPolyethylenterephthalat (PET). Der Stoff – aus dem z.B. Einweg/Mehrweg-Getränkeflaschen hergestellt werden – besteht aus den Monomeren Ethandiolund Terephthalsäure. Eine 3D-Computeranimation zeigt sie im Kugel-Stab-Modell, man kann deutlich ihre funktionellen Gruppen erkennen.

Der Film erläutert schrittweise die Entstehung von PET. Zunächst wird gezeigt,wie die beiden Monomere Ethandiol und Terephthalsäure in Kondensation zueiner theoretischen Zwischenstufe reagieren, die man Terephthal-säurehydroxyethylester nennen könnte. Dieser Ester trägt außen zweifunktionelle Gruppen, an die sich in der Polykondensation sofort weitereMonomere binden. So entsteht das lineare, unverzweigte PET-Polymer. IntermolekulareBindungskräfte sorgen für starke Bindungen zwischen den einzelnen Poly-mersträngen. Dadurch besitzt PET spezielle thermische Eigenschaften: Abungefähr 80°C (Glastemperatur) wird es weich und formbar. Erst bei ca. 250°C(Schmelztemperatur) schmilzt es. PET zählt damit zur Gruppe derThermoplaste.

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Abbildung 11: Monomere des PET

Im weiteren Filmverlauf veranschaulichen Realaufnahmen und 3D-Computer-animationen die einzelnen Produktionsschritte der PET-Flaschenherstellung.

Zunächst wird PET-Granulatgeschmolzen. Dann wird imSpritzgussverfahren derFlaschenrohling gegossen,wobei Flaschenhals undGewinde bereits Originalgrößeerhalten.

Der Flaschenbauch ist dagegennoch klein und dickwandig. Erwird erst im letzten Schritt beileichter Erwärmung auf dieendgültige Größe aufgeblasen.

Mithilfe einer 3D-Computeranimation wird das Innere des Polymergefügesparallel zum Produktionsprozess anschaulich demonstriert. Die Polymersträngeweisen im festen Zustand stabile, teils kristalline, teils amorphe Strukturen auf.Im flüssigen Zustand werden die kristallinen Bereiche beweglich.

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Abbildung 14: Struktur der Polymerstränge

Abbildung 13: Endprodukt

Abbildung 12: Flaschenrohling

Der Film erläutert anschließend die mehrstufige Produktion von PET-Folien.

Zum Schluss beschreibt der Film das Recycling von PET-Getränkeflaschen.Die Flaschen werden zunächst gesammelt, sortiert, zerkleinert und vonFremdbestandteilen (Etiketten, Kleber) befreit. In der Schmelze erhält mandann homogene PET-Polymerstränge, die wieder zu Flaschen verarbeitetwerden können.

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Abbildung 15: Produktion von PET-Folien

Abbildung 16: Recycling-Rohstoff PET

Synthetische und natürliche PolyesterLaufzeit: 6:10 min, 2012

Lernziele: - Synthetische und natürliche Polyester mit ihren spezifischen Eigenschaften

kennenlernen.

Inhalt:Der Film stellt weitere Polyester vor und unterscheidet dabei zwischensynthetischen und natürlichen Polyestern.

Zu den synthetischen Polyestern gehört neben dem bekanntenPolyethylenterephthalat (PET)auch das Polycarbonat.Hierbei handelt es sich umein lineares, thermo-plastisches Polymer. Eine3D-Computeranimation zeigtanschaulich, wie es in derPolykondensation aus denMonomeren Bisphenol undPhosgen entsteht. DieMoleküle werden sowohl imKugel-Stab-Modell als auch inLewis-Schreibweise darge-stellt.

Der Film zählt viele spezifische Eigenschaften des Polycarbonats auf und zeigteinige Beispiele für typische Polycarbonat-Produkte.

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Abbildung 17: Bisphenol und Phosgen

Abbildung 18: Eigenschaften von Polycarbonat

Auch Polyesterharze zählen zu den synthetischen Polyestern. Der Film zeigtmithilfe einer 3D-Computeranimation, wie ein Beispiel-Polyesterharz ausButendisäure und Ethandiol entsteht.

Polyesterharze sind bei Zimmertemperatur flüssig und härten erst nach Zugabeeines entsprechenden Härters aus. An 3D-Computeranimationen kann man denVorgang des Aushärtens sehr gut nachvollziehen. Die Polyesterharz-Moleküleweisen viele C-C-Doppelbindungen auf. Die Moleküle des Härters brechendiese Doppelbindungen auf und bilden jeweils zwischen zwei C-Atomen einestarke Querverbindung. Dadurch sind Polyesterharze nach ihrer Aushärtungäußerst stabil und können selbst durch Erhitzen nicht mehr verflüssigt werden.Sie zählen somit zur Gruppe der Duroplaste.

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Abbildung 19: Polyesterharz-Molekülstränge unvernetzt

Abbildung 20: Ausgehärteter Polyesterharz (Duroplast)

Der Film führt abschließend die DNA (Desoxyribonukleinsäure) als Beispiel füreinen natürlichen Polyester an. Die genetische Erbinformation wird in einerAbfolge von Basentriplets gespeichert. Die Basentriplets werden von zweiPolyestersträngen getragen, die in Polykondensation aus Phosphorsäure undRibosezuckern entstehen.

Eine 3D-Computeranimation demonstriert kurz das Polyesterprinzip am Beispielvon Phosphorsäure und Desoxyribose.

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Abbildung 21: DNA – „Datenspeicher“ aus Polyester

Abbildung 22: Esterbindung in DNA