Alles aus Plastik!? –
Ein Stationenlernen zu Kunststoffen
Ein Beitrag von Renate Ruhwinkel, Marl
Mit Illustrationen von Katja Rau, Berglen, und Wolfgang Zettlmeier, Barbing
Das Wichtigste auf einen Blick
Klasse: 9/10
Dauer: 5 Stunden (Minimalplan: 3) Kompetenzen: Die Schüler …
• unterscheiden verschiedene Arten von Kunststoffen.
• nennen mindestens einen Verwendungs- zweck für die gängigsten Kunststoffe.
• erläutern den Aufbau und die Eigenschaf- ten von Thermoplasten, Duroplasten und
Versuche:
• Wir untersuchen unseren Kunststoff auf verschiedene Eigenschaften (SV):
Schmelzbereich Löseverhalten Brennbarkeit Dichte
Schwelprobe Bruchverhalten Übungsmaterial:
• Jetzt weiß ich’s! – Kunststoffe (2 Niveaus)
Mit vielen einf achen Versuchen!
D
ie Matratze aus Polyurethan, die mit Telon® beschichtete Pfanne oder der Joghurtbecher aus Polystyrol – täglich kommen wir mit einer Vielzahl von Kunststof- fen in Kontakt. Welche Kunststoffe umgeben uns eigentlich Tag für Tag, welche Eigenschaf- ten haben sie und wie kann man sie einteilen?In dieser Einheit geht Ihre Klasse diesen Fra- gen auf den Grund. In vielen kleinen Versuchen lernen die Schüler dabei die chemischen und physikalischen Eigenschaften der verschiede- nen Kunststoffe kennen und unterscheiden.
Welche Kunststoffe umgeben uns Tag für Tag und wel- che Eigenschaften haben sie?
Foto: Thinkstock/iStock
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Was Sie zum Thema wissen müssen
Die Geschichte der Kunststoffe
Kunststoffe entwickelte man ursprünglich, um einen Mangel an bestimmten natürlichen Roh- stoffen auszugleichen. So erfand man beispielsweise den ersten thermoplastischen Kunststoff Zelluloid als Ersatz für das teure Elfenbein, aus dem Billardkugeln und Klaviertasten hergestellt wurden.
Immer wieder entdeckten Chemiker neue Kunststoffe. Oft diente die Natur als Vorbild, manch- mal spielte auch der Zufall die entscheidende Rolle bei der Entdeckung. So wurde Teflon®
(Polytetra fluorethylen) zufällig entdeckt: Eigentlich wollte der Chemiker Roy Plunkett zusam- men mit seinem Mitarbeiter Jack Rebok neue Kältemittel erforschen. Als sie die Gaslasche mit dem farb- und geruchlosen Gas Tetraluorethylen öffneten, entwich zu ihrem Erstaunen kein Gas. Sie sägten die Gaslasche auf und fanden eine weiße krümelige Substanz – das uns heute bekannte Telon®. Im Laufe der Geschichte wurden zahlreiche weitere Kunststoffe entdeckt und gezielt entwickelt. Die Tabelle gibt einen Überblick:
Jahr Art des erfundenen Kunststoffs Erfinder Land 1839 Kautschuk-Vulkanisation mit
Schwefel. Es entsteht ein dauerelastischer Gummi.
Charles Nelson Goodyear USA
1870 Zelluloid (erster thermoplasti- scher Kunststoff)
John W. Hyatt USA
1912 Polyvinylchlorid (PVC); die groß- technische Produktion erfolgte ab 1935
Fritz Klatte Deutschland
1930 Polyester (PES) W. H. Carothers USA
1933 Polymethylmethacrylat (PMMA) (umgangssprachliche Bezeich- nungen: Plexiglas, Acrylglas)
Otto Röhm Deutschland
1937 Erste Synthese von Polyuretha- nen (PUR) (industrielle Produk- tion ab 1940)
Otto Bayer Deutschland
1949 Schaumkunststoff Styropor® Fritz Stastny, Rudolf Gäth Deutschland
1953 Polycarbonate (PC) Hermann Schnell Deutschland
um 1977
Entwicklung elektrisch leitfähiger Polymere (Kunststoffe, die den Strom leiten; Nobelpreis im Jahr 2000)
Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid, Hideki Shirakawa
USA, Japan
Wie stellt man Kunststoffe her?
Kunststoffe sind Makromoleküle. Sie werden durch das schrittweise Aneinanderfügen von Monomeren zu langen Ketten, den Polymeren, hergestellt. Ausgangstoff für die Kunststoff- herstellung sind Rohstoffe, die aus Erdöl gewonnen werden.
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Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere
Alle Kunststoffe kann man in drei große Gruppen unterteilen:
Thermoplaste (griech.: thermos = warm, heiß; plastos = verformbar) bestehen aus Molekül- strängen, die durch zwischenmolekulare Kräfte zusammengehalten werden. Wird z. B. durch Erhitzen ausreichend Energie zugeführt, so können sich die einzelnen Ketten leicht gegeneinan- der verschieben. Daher ist der Kunststoff leicht verformbar. Bei hohen Temperaturen verlieren die Molekülstränge ihre Form; der Kunststoff beginnt zu schmelzen.
Beispiel: Eine Plastiktüte aus Polypropylen lässt sich dehnen. Bei zu viel Zug reißt sie; bei ho- hen Temperaturen schmilzt sie.
Duroplaste (lat.: durus = hart) bestehen aus stark vernetzten Molekülketten, wobei die Vernet- zung durch chemische Bindungen zwischen den Ketten entsteht. Aufgrund der chemischen Bindungen lassen sich die Ketten nicht durch Energiezufuhr verformen. Auf Zug reagieren Duro- plaste daher nicht mit einer Verformung, sondern brechen. Im Gegensatz zu den Thermoplasten sind sie bei Hitze stabil. Sie werden nicht weich und schmelzen nicht, sondern zersetzen sich, da ihre Schmelztemperatur über der Zersetzungstemperatur liegt. Insgesamt sind Duroplaste deutlich härter und spröder als Thermoplaste. Will man sie bearbeiten, so muss man dies – wie z. B. bei Holz – mechanisch tun, also z. B. durch Sägen, Feilen oder Raspeln.
Beispiel: Man verwendet Duroplaste für Gegenstände, bei denen es auf Stabilität ankommt, z. B. Schutzhelme, Schalter oder Topfgriffe.
Elastomere (griech.: elastos = dehnbar; meros = Teil) enthalten Molekülketten, die verknäult vorliegen und sehr weitmaschig vernetzt sind. Beim Ziehen verändert sich dieses Knäuel, wobei die Molekülketten geordneter werden. Dieser Zustand ist jedoch energetisch ungünstig, sodass die Molekülketten von alleine wieder in den ungeordneten Zustand zurückkehren. Elas- tomere haben daher gummiartige Eigenschaften: Sie lassen sich auf mindestens das Doppelte ihrer Länge ziehen und kehren beim Loslassen in den Ausgangszustand zurück. Elastomere sind nicht schmelzbar, sondern zersetzen sich oberhalb einer bestimmten Temperatur.
Beispiel: Aus Elastomeren stellt man unter anderem Schaumstoffbälle, Reifen und Dichtungs- ringe her.
Vorschläge für Ihre Unterrichtsgestaltung
Voraussetzungen der Lerngruppe
Die Einheit setzt voraus, dass die Schülerinnen und Schüler* bereits einfache Kohlenstoff- verbindungen kennengelernt haben. Darüber hinaus sollten sie mit dem selbstständigen Experimentieren unter Einhaltung der Sicherheitsregeln vertraut sein und Versuchsprotokolle schreiben können.
* Im weiteren Verlauf der Einheit wird aus Gründen der besseren Lesbarkeit nur „Schüler“ verwendet.
Aufbau der Unterrichtseinheit
Der Einstieg in die Einheit erfolgt mithilfe von Farbfolie M 1, die ein Foto zeigt, auf dem alle Kunststoffprodukte eines Haushalts zusammengetragen sind. Der stumme Impuls leitet zum Thema dieser Einheit über und hilft Ihnen dabei, das Vorwissen Ihrer Klasse einzuschätzen. Es folgt eine kurze Einführung der Begriffe „Kunststoff“, „Makromolekül“, „Polymer“ und „Mono- mer“. Anschließend wird jedem Schüler per Losverfahren ein Kunststoff auf Arbeitsblatt M 2 zugeteilt. Von diesem sollen bis zur nächsten Stunde die Verwendungszwecke recherchiert und ein Gegenstand, der aus diesem Kunststoff besteht, soll mitgebracht werden.
In Stunde 2 gehen die Schüler zusammen, denen der gleiche Kunststoff zugeteilt wurde und prüfen im Stationenlernen M 5–M 11 (Stunden 2–4) an sechs Stationen, ob die mitgebrachten
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Nach einer vorher festgelegten Zeit wird das Stationenlernen beendet. Alle Gruppen stellen dann „ihren“ Kunststoff anhand des Steckbriefs auf Lautzettel M 3 vor. An dieser Stelle können Sie auch auf Fragen oder Unklarheiten eingehen, die während des Stationenlernens aufkamen.
Selbst-Test M 12 dient als Lernerfolgskontrolle zum Abschluss der Unterrichts- einheit.
Üben
Angebote zur Differenzierung
Als Zusatzmaterial auf CD ( ) steht Ihnen eine Version von M 12 mit mehr Hilfestellungen für leistungsschwächere Schüler bzw. Klassen zur Verfügung.
Bei der Einteilung der Gruppen kann darauf geachtet werden, dass immer ein leistungsschwä- cherer mit einem leistungsstärkeren Schüler zusammengeht. Auf diese Weise können sich die Schüler gegenseitig unterstützen.
Ideen für die weitere Arbeit
Zum Einstieg in die Einheit können Sie auch ein Referat über die Geschichte und Entdeckung der Kunststoffe halten lassen. Weitere Referate über besondere Kunststoffarten, z. B. Nylon oder Tel on, sind ebenfalls denkbar.
Mögliche nächste Unterrichtsthemen sind die großtechnische Kunststoffherstellung sowie der Aufbau des Makromoleküls Kunststoff.
Darüber hinaus können Sie im Anschluss an die Einheit auf die Auswirkungen von Kunst- stoffmüll auf die Umwelt eingehen. Hier bietet sich z. B. der Einsatz des Films „Plastic Planet“
(siehe Medientipps) an.
Hinweise für fächerübergreifendes Arbeiten
Die Unterrichtseinheit eignet sich zum fächerübergreifenden Unterricht mit den Fächern Bio- logie und Geographie. Hier können Sie die Auswirkungen von Kunststoffmüll auf die Umwelt behandeln.
Diese Kompetenzen trainieren Ihre Schüler
Die Schüler …
• erläutern, was man unter einem Kunststoff versteht.
• unterscheiden verschiedene Arten von Kunststoffen.
• nennen mindestens einen Verwendungszweck für die gängigsten Kunststoffe.
• erläutern den Aufbau und die Eigenschaften von Thermoplasten, Duroplasten und Elasto- meren.
• ordnen Kunststoffe den Thermoplasten, Duroplasten und Elastomeren zu.
• verstehen den Zusammenhang zwischen dem Bau eines Makromoleküls und dessen che- mischer Struktur.
• führen Experimente unter Beachtung der Sicherheits- und Umweltaspekte durch und pro- tokollieren diese.
• recherchieren Informationen in unterschiedlichen Quellen, „übersetzen“ diese Informatio- nen in die Alltagssprache und dokumentieren ihre Ergebnisse.
• präsentieren ihre Ergebnisse im Plenum.
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Die Einheit im Überblick
V = Vorbereitung FO = Folie AB = Arbeitsblatt
D = Durchführung SV = Schülerversuch LEK = Lernerfolgskontrolle = Zusatzmaterial auf CD
Stunde 1: Kunststoffe im Alltag
M 1 (FO) Um welches Thema geht es?
M 2 (AB) Wer besorgt welchen Kunststoff? – Das Los entscheidet!
(AB) Welchen Kunststoff untersuche ich? – Das Los entscheidet!
Stunden 2–4: Identifi zierung eines Kunststoffs – Stationenarbeit M 3 (AB) Wir untersuchen unseren Kunststoff – Laufzettel
M 4 (AB) Anderer Kunststoff, andere Eigenschaften – eine Übersicht M 5 (SV)
V: 10 min
D: 10 min
Station 1 – Wir bestimmen den Schmelzbereich unseres Kunststoffs 1 Schutzbrille pro
Schüler
Kunststoffproben Öl für Wärmebad 1 Thermometer
(mind. 150 °C) 1 Heizplatte
1 Stativ 2 Muffen 2 Klemmen für
Becherglas und Thermometer 1 Reagenzglashalter 1 Becherglas (250 ml)
1 Reagenzglas pro Kunststoffprobe 1 Holzstäbchen 1 Schere oder
1 Seitenschneider
M 6 (SV)
V: 5 min
D: 5 min
Station 2 – Wir untersuchen unseren Kunststoff auf Brennbarkeit 1 Schutzbrille pro
Schüler
Kunststoffproben Stativmaterial
1 Tiegelzange 1 Gasbrenner 1 Metallplatte
1 Becherglas mit Wasser zum Löschen
M 7 (SV)
V: 10 min
D: 10 min
Station 3 – Wir testen das Verhalten unseres Kunststoffs beim Erhitzen 1 Schutzbrille pro
Schüler
Kunststoffproben Wasser
1 Reagenzglashalter
1 Reagenzglas pro Kunststoffprobe 1 Gasbrenner 1 Aktivkohlestopfen 1 Rolle pH-Papier
1 Stück Watte pro Kunststoffprobe 1 Schere oder
1 Seitenschneider 1 Becherglas mit
Wasser zum Löschen M 8 (SV)
V: 1 min
D: 5 min
Station 4 – Wir testen das Löseverhalten unseres Kunststoffs 1 Schutzbrille pro Schüler
Kunststoffproben
1 Tropffl asche mit Essigsäureethylester
1 Paar Stoffhand- schuhe
1 Spatel
2–3 Papiertücher
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M 9 (SV)
V: 5 min
D: 10 min
Station 5 – Wir bestimmen die Dichte unseres Kunststoffs 1 Schutzbrille pro
Schüler
Kunststoffproben Natriumthiosulfat-
lösung
Wasser
Kochsalzlösung 1 Kristallisierschale 1 Glasstab
3 Bechergläser 1 Pinzette
Papierhandtücher
M 10 (SV)
V: 1 min
D: 5 min
Station 6 – Wir untersuchen das Bruchverhalten unseres Kunststoffs 1 Schutzbrille pro Schüler Kunststoffproben
M 11 (AB) Infoblatt zu Station 6 – Thermoplast, Duroplast oder Elastomer?
Stunde 5: Lernerfolgskontrolle
M 12 (LEK) Jetzt weiß ich’s! – Kunststoffe
(LEK) Jetzt weiß ich’s! – Kunststoffe (mit mehr Hilfestellungen) Die Gefährdungsbeurteilungen zu den Versuchen fi nden Sie auf CD 15 .
Minimalplan
Ihnen steht wenig Zeit zur Verfügung? Dann lässt sich die Unterrichtseinheit auf drei Stunden kürzen. Gehen Sie dabei wie folgt vor:
1.–2. Stunde Steigen Sie mit Farbfolie M 1 ein. Geben Sie dann die ausgefüllte Version von Arbeitsblatt M 2 ( ) aus und verwenden Sie dieses als Infoblatt. Teilen Sie die Klasse in Gruppen aus zwei bis drei Schülern ein und ordnen Sie jeder Gruppe einen anderen Kunststoff zu. Geben Sie entsprechend die Kunststoff- gegenstände, die Sie selbst mitbringen, an die Gruppen aus.
Die Gruppen erhalten den Laufzettel M 3, die Übersicht M 4 und die Stations- arbeitsblätter M 5–M 11. Sprechen Sie die Vorgehensweise durch. Die Schüler führen die Schülerversuche, die Sie bereits im Vorfeld aufgebaut haben, dann selbstständig durch und füllen den Steckbrief auf M 3 aus.
3. Stunde Die Gruppen stellen ihre Steckbriefe vor. Die Lernerfolgskontrolle M 12 wird als Hausaufgabe aufgegeben oder entfällt.
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M 1
Um welches Thema geht es?
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M 2 Wer besorgt welchen Kunststoff? – Das Los entscheidet!
Es gibt eine große Fülle verschiedener Kunststoffe mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften. Die folgende Liste gibt einen Überblick über die wichtigsten Kunststoffe.
Aufgabe
Durch das Losverfahren bekommst du nun einen Kunststoff zugeteilt.
a) Informiere dich über Verwendungsmöglichkeiten dieses Kunststoffs und notiere diese in der Tabelle.
b) Bring zur nächsten Stunde einen oder mehrere Gegenstände aus „deinem“ oder einem anderen Kunststoff mit. Wenn möglich, sollten die Gegenstände zerstört werden können.
Name Ab kürzung typische
Eigenschaften Verwendung
1 Polyethylen
(Polyethen) PE durchscheinend, wachsartig
2 Polypropylen
(Polypropen) PP durchscheinend, wachsartig
3 Polystyrol
(Polystyren) PS glasklar, hart (wenn nicht aufgeschäumt)
4 Polyvinyl -
chlorid PVC weißes Pulver,
gepresst, ziemlich hart
5 Polymethyl-
methacrylat PMMA glasklar, hart, spröde
6 Polyamid PA Fasern von sehr hoher
Zugfestigkeit
7 Polyurethan PU lässt sich aufschäumen
8
Polyester, z. B.
Polyethylente- rephthalat
PET gießfähige Harze, nachträglich härtbar
9 Polyester, z. B.
Polycarbonat PC wetterbeständig, isolierend
10 Polybutadien
BR (engl.:
Butadiene Rubber)
gummielastisch, kann nachträglich wider- stands fähig gemacht werden
11 Epoxidharz EP klebrig, härtbar
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Jetzt weiß ich’s! – Kunststoffe
Bist du fi t, wenn es um Kunststoffe geht? Teste hier dein Wissen.
Aufgabe 1
Kreuze alle richtigen Aussagen zu Kunststoffen an.
Alle Kunststoffe werden aus Erdöl herge- stellt.
Alle Kunststoffe schwimmen auf Wasser.
Alle Kunststoffe sind Makromoleküle.
Die kleinste Baueinheit von Kunststoffen nennt man Polymer.
Polyester, Glas und Marmor sind alles Beispiele für Kunststoffe.
Kunststoffe reagieren oft empfi ndlich auf organische Lösungsmittel.
Kunststoffe schmelzen erst ab einer Tem- peratur von 120 °C.
Aufgabe 2
Nenne drei Kunststoffe und jeweils einen Verwendungszweck.
Kunststoff Verwendungszweck 1
2 3
Aufgabe 3
a) Im Folgenden ist die räumliche Struktur eines Thermoplasts, eines Duroplasts und eines Elastomers dargestellt. Aber welche Struktur gehört zu welcher Gruppe? Beschrifte.
b) Welche Eigenschaft gehört zu welcher Kunststoffgruppe? Kreuze an.
Thermoplaste Duroplaste Elastomere Sie schmelzen bei hohen Temperaturen.
Sie lassen sich in die Länge ziehen und kehren danach wieder in ihren Aus- gangszustand zurück.
Sie brechen, wenn zu viel Zug auf sie ausgeübt wird.
Zwischen den Molekülketten gibt es
