Scheikunde van basisschool tot bovenbouw · Grades 1–12

49Polymeren

Een fleecevest kan gesponnen worden uit gesmolten drankflessen; een klimtouw is van nylon gemaakt; deze bladzijde is cellulose, gemaakt door bomen. Alle drie zijn het polymeren: moleculen van duizenden atomen lang, opgebouwd door één kleine eenheid steeds weer te herhalen. Hun eigenschappen — zacht of stijf, elastisch of bros, smeltbaar of niet — komen minder voort uit de atomen die ze bevatten dan uit de manier waarop hun lange ketens gerangschikt zijn.

Wat je al weet

Kunststoffen bestaan uit heel lange moleculen; thermoplasten worden zacht bij verwarmen, thermoharders niet (Hoofdstuk 15). Alcohol-, zuur-, ester-, amine- en amidegroepen (Hoofdstuk 33). Een additie maakt van twee moleculen één, zonder dat er een atoom verloren gaat (Hoofdstuk 40).

Gebruikte drankflessen en een fleecevest: hetzelfde polymeer, in twee vormen.

49.1 Monomeren, polymeren, repeterende eenheden

Definitie 49.1 (Polymeer, monomeer, polymerisatie)

Een polymeer is een stof die bestaat uit heel grote moleculen, de macromoleculen, elk opgebouwd uit veel kleine eenheden die een voor een aan elkaar gebonden zijn. De kleine moleculen waaruit het gemaakt wordt, zijn zijn monomeren; de reactie die ze aan elkaar koppelt, is een polymerisatie.

Definitie 49.2 (Repeterende eenheid, polymerisatiegraad)

De repeterende eenheid van een polymeer is de kleinste groep atomen waarvan de herhaling de keten geeft; ze wordt tussen haken geschreven met een index $n$ . Het aantal $n$ repeterende eenheden in een keten is de polymerisatiegraad ervan.

De polymerisatie van etheen: n moleculen monomeer geven één keten polyetheen, waarvan de repeterende eenheid -CH2-CH2- tussen haken wordt geschreven. — De polymerisatie van etheen: $n$ moleculen monomeer geven één keten polyetheen, waarvan de repeterende eenheid $\ce{-CH2-CH2-}$ tussen haken wordt geschreven.

Propositie 49.3 (Molaire massa van een polymeer)

Een keten met polymerisatiegraad $n$ heeft een molaire massa

M(\text{polymeer}) \approx n \times M(\text{repeterende eenheid}) ,

waarbij de twee uiteinden van de keten bij grote $n$ te verwaarlozen zijn.

Bewijs. De keten bestaat uit $n$ repeterende eenheden plus twee eindgroepen van elk een paar atomen; bij $n$ in de duizenden wegen de eindgroepen minder dan een duizendste van het geheel. ∎

Voorbeeld 49.4 (Een keten polyetheen)

Een keten polyetheen met een molaire massa van $280\,000\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ heeft $n = 280000/28.0 = 10000$ repeterende eenheden, dus twintigduizend koolstofatomen op een rij. In een echt monster zijn de ketens niet allemaal even lang: $n$ is een gemiddelde.

49.2 Additiepolymeren

Definitie 49.5 (Additiepolymeer, condensatiepolymeer)

Een additiepolymeer ontstaat door additie van monomeren met een dubbele binding $\ce{C=C}$ , zonder ander product: zijn repeterende eenheid bevat dezelfde atomen als het monomeer. Een condensatiepolymeer ontstaat door reacties tussen twee karakteristieke groepen die twee monomeren aan elkaar koppelen en bij elke koppeling een klein molecuul afsplitsen, meestal water.

monomeer	polymeer	repeterende eenheid	toepassingen
etheen $\ce{CH2=CH2}$	polyetheen (PE)	$\ce{-CH2-CH2-}$	tassen, flessen
chlooretheen $\ce{CH2=CHCl}$	polyvinylchloride (PVC)	$\ce{-CH2-CHCl-}$	buizen, kozijnen
fenyletheen $\ce{CH2=CH-C6H5}$	polystyreen (PS)	$\ce{-CH2-CH(C6H5)-}$	bekers, schuim
tetrafluoretheen $\ce{CF2=CF2}$	PTFE	$\ce{-CF2-CF2-}$	antiaanbakpannen

Vier additiepolymeren. In elk ervan klapt de dubbele binding van het monomeer open, en worden de twee koolstofatomen deel van de keten.

Methode 49.6 (Het monomeer vinden bij een polymeer)

Zoek de repeterende eenheid: de kleinste groep waarvan de herhaling de keten geeft.
Als de hoofdketen alleen koolstofatomen bevat, is het een additiepolymeer: zet een dubbele binding terug tussen de twee koolstofatomen van de hoofdketen van de repeterende eenheid. Dat is het monomeer.
Als de hoofdketen ester- of amidebindingen bevat, is het een condensatiepolymeer: knip elke binding door, en geef elke kant de atomen van het afgesplitste kleine molecuul terug ( $\ce{-OH}$ aan de $\ce{C=O}$ , $\ce{-H}$ aan de $\ce{O}$ of de $\ce{N}$ ). Dat zijn de monomeren.

Voorbeeld 49.7 (Het monomeer van PVC)

De keten $\ce{-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-}$ herhaalt $\ce{-CH2-CHCl-}$ ; de hoofdketen bevat alleen koolstofatomen, dus het monomeer is chlooretheen, $\ce{CH2=CHCl}$ .

49.3 Condensatiepolymeren

Een monomeer met één reactieve groep kan maar één keer binden: het sluit een keten af. Om een keten door condensatie op te bouwen, heeft elk monomeer twee groepen nodig, één aan elk uiteinde.

Voorbeeld 49.8 (PET, een polyester)

Ethaan-1,2-diol, $\ce{HO-CH2-CH2-OH}$ , draagt twee alcoholgroepen; benzeen-1,4-dicarbonzuur, $\ce{HOOC-C6H4-COOH}$ , twee zuurgroepen. Elke zuurgroep vormt een ester met een alcoholgroep en splitst water af: de keten groeit aan beide uiteinden. Het polymeer is polyethyleentereftalaat, PET, het materiaal van drankflessen en van polyestervezels. Zijn repeterende eenheid, $\ce{C10H8O4}$ , heeft een molaire massa van $192.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , dat is de twee monomeren ( $62.0 + 166.0$ ) min twee moleculen water ( $36.0$ ).

PET uit zijn twee monomeren: elke esterbinding (de -CO-O--groepen) splitst één molecuul water af. — PET uit zijn twee monomeren: elke esterbinding (de $\ce{-CO-O-}$ -groepen) splitst één molecuul water af.

Voorbeeld 49.9 (Nylon-6,6, een polyamide)

Hexaan-1,6-diamine, $\ce{H2N-(CH2)6-NH2}$ , en hexaandizuur, $\ce{HOOC-(CH2)4-COOH}$ , worden door amidebindingen aan elkaar gekoppeld, die elk één molecuul water afsplitsen:

\cdots\ce{-NH-(CH2)6-NH-CO-(CH2)4-CO-}\cdots

De twee zessen in de naam tellen de koolstofatomen van elk monomeer. De amidebindingen van naburige ketens trekken elkaar aan via waterstofbruggen, wat nylonvezels sterk maakt.

Geschiedenis — Carothers en nylon

De scheikundige Wallace Carothers, die een onderzoekslaboratorium van een chemisch bedrijf leidde, wilde bewijzen dat polymeren echte reuzenmoleculen waren, en ze doelbewust maken. Zijn team maakte eerst polyesters, die te gemakkelijk smolten om bruikbaar te zijn; in 1934 stapten ze over op aminen en maakten ze polyamiden, waaronder de vezel die later nylon werd genoemd. Nylon ging in 1939 in productie, eerst als kousen die op een wereldtentoonstelling opzien baarden, daarna als parachutes, touwen en tandenborstelharen.

49.4 Structuur en eigenschappen

Twee monsters van hetzelfde polymeer kunnen zich heel verschillend gedragen: het gaat om de lengte van de ketens, hun vorm, en hoe ze gestapeld zijn.

Propositie 49.10 (Ketens en eigenschappen)

Langere ketens raken meer verstrengeld: het materiaal is sterker en smelt bij een hogere temperatuur.
Lineaire ketens kunnen naast elkaar komen te liggen in geordende, kristallijne gebieden; vertakte ketens kunnen dat niet, en blijven ongeordend, amorf. Kristallijne gebieden maken een polymeer dichter, stijver en minder doorzichtig.
Ketens die alleen door intermoleculaire krachten naast elkaar worden gehouden, glijden bij verwarmen langs elkaar: het polymeer is een thermoplast. Ketens die door covalente dwarsverbindingen aan elkaar vastzitten, kunnen dat niet: het polymeer is een thermoharder, of, met weinig dwarsverbindingen, een rubberachtige elastische vaste stof.

Bewijs. Verwarmen geeft de ketens genoeg energie om de intermoleculaire krachten tussen hen te overwinnen (Hoofdstuk 30), die zwakker zijn dan covalente bindingen; hoe meer contact tussen de ketens, hoe meer energie dat kost. Dwarsverbindingen zijn covalent: als je ze verbreekt, vernietig je het materiaal in plaats van het te smelten. ∎

Vier rangschikkingen van polymeerketens. De dwarsverbindingen (oranje) zijn covalente bindingen tussen ketens.

Voorbeeld 49.11 (Twee soorten polyetheen)

Polyetheen dat onder zeer hoge druk wordt gemaakt, heeft veel korte zijtakken: de ketens stapelen slecht, en het levert zachte, doorzichtige folie voor tassen. Gemaakt met een katalysator bij lage druk zijn de ketens bijna lineair en stapelen ze tot kristallijne gebieden: het is dichter en stijver, en levert melkflessen en kratten. Hetzelfde monomeer, dezelfde repeterende eenheid, een andere architectuur.

49.5 Natuurlijke polymeren

Levende wezens maakten al polymeren, lang voordat scheikundigen dat deden.

Cellulose en zetmeel zijn allebei ketens van glucose-eenheden, $\ce{C6H10O5}$ per eenheid, die verschillend aan elkaar zijn gekoppeld: cellulose vormt rechte, sterke vezels (hout, katoen, papier); zetmeel vormt spiralen die het lichaam verteert.
Eiwitten zijn ketens van aminozuren die door amidebindingen aan elkaar zijn gekoppeld, de peptidebindingen van het dipeptide van Hoofdstuk 48.
DNA is een keten van nucleotiden; de volgorde van zijn vier soorten eenheden slaat genetische informatie op.
Natuurrubber is een additiepolymeer van isopreen, $\ce{CH2=C(CH3)-CH=CH2}$ , dat als een melkachtige vloeistof, latex, uit de bast van de rubberboom wordt gewonnen. Als je het met zwavel verwarmt, worden de ketens verbonden door zwavelbruggen: het rubber wordt taaier en houdt zijn vorm, zoals in een band.

Een rubberboom tappen: latex stroomt uit een snee in de bast in een bakje.

Opmerking 49.12 (Maken en afbreken)

Een thermoplast kun je opnieuw smelten en vormen: mechanische recycling. Een condensatiepolymeer kun je ook terug afbreken tot zijn monomeren door de omgekeerde reactie, een hydrolyse, en van die monomeren nieuw polymeer maken: chemische recycling. Een thermoharder kan geen van beide gemakkelijk.

49.6 Oefeningen

Oefening 49.1 ★

Geef het monomeer van polypropeen, waarvan de repeterende eenheid $\ce{-CH2-CH(CH3)-}$ is.

Oplossing

Oplossing van Oefening 49.1.

Propeen, $\ce{CH2=CH-CH3}$ .

Oefening 49.2 ★

Schrijf de repeterende eenheid op van het polymeer dat uit tetrafluoretheen, $\ce{CF2=CF2}$ , wordt gemaakt. Is het een additie- of een condensatiepolymeer?

Oplossing

Oplossing van Oefening 49.2.

$\ce{-CF2-CF2-}$ ; een additiepolymeer: het monomeer heeft een $\ce{C=C}$ -binding en er ontstaat geen ander product.

Oefening 49.3 ★

Deel in bij de additie- of condensatiepolymeren: polyetheen, PET, nylon, PVC, polystyreen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 49.3.

Additie: polyetheen, PVC, polystyreen. Condensatie: PET (een polyester), nylon (een polyamide).

Oefening 49.4 ★

Welke van deze polymeren zijn natuurlijk: cellulose, nylon, zetmeel, PVC, rubber uit latex, eiwitten?

Oplossing

Oplossing van Oefening 49.4.

Cellulose, zetmeel, rubber uit latex, eiwitten. Nylon en PVC zijn synthetisch.

Oefening 49.5 ★

Waarom moet elk monomeer van een condensatiepolymeer twee reactieve groepen dragen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 49.5.

Elke koppeling gebruikt één groep van elk monomeer; met twee groepen kan een monomeer aan beide kanten binden en blijft de keten groeien. Een monomeer met één groep zou de keten afsluiten.

Oefening 49.6 ★★

Een monster PVC heeft een gemiddelde molaire massa van $125\,000\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . Bereken de polymerisatiegraad.

Oplossing

Oplossing van Oefening 49.6.

$M(\ce{C2H3Cl}) = 24.0 + 3.0 + 35.5 = 62.5\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $n = 125000/62.5 = 2000$ .

Oefening 49.7 ★★

Een keten polystyreen heeft een polymerisatiegraad van 2500. Bereken de molaire massa ervan.

Oplossing

Oplossing van Oefening 49.7.

$M(\ce{C8H8}) = 104.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $M = 2500 \times 104.0 = 2.60 \times 10^{5}\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

Oefening 49.8 ★★

Melkzuur, $\ce{CH3-CH(OH)-COOH}$ , draagt een alcoholgroep en een zuurgroep. Laat zien dat het in zijn eentje een polyester kan vormen, schrijf de repeterende eenheid op, en noem het kleine molecuul dat wordt afgesplitst.

Oplossing

Oplossing van Oefening 49.8.

De zuurgroep van het ene molecuul vormt een ester met de alcoholgroep van het volgende, dat nog een vrije zuurgroep heeft: de keten groeit. Repeterende eenheid $\ce{-O-CH(CH3)-CO-}$ ; bij elke koppeling wordt water afgesplitst.

Oefening 49.9 ★★

Leg met de figuur van de rangschikkingen van ketens uit waarom folie voor tassen zacht en doorzichtig is, terwijl melkflessen stijf en ondoorzichtig zijn.

Oplossing

Oplossing van Oefening 49.9.

Folie voor tassen is gemaakt van vertakte ketens, die niet kunnen stapelen: het materiaal is amorf, zacht en doorzichtig. Melkflessen zijn gemaakt van bijna lineaire ketens, die stapelen tot kristallijne gebieden: dichter, stijver, en de kristallijne gebieden verstrooien licht.

Oefening 49.10 ★★

Het handvat van een pan is een thermoharder, de kunststof knop van het deksel ook. Beschrijf hun ketens. Waarom kun je ze niet smelten en recyclen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 49.10.

Hun ketens zijn door veel covalente dwarsverbindingen aan elkaar vastgemaakt. Verwarmen kan de ketens niet langs elkaar laten glijden; het verbreekt bindingen en vernietigt het materiaal in plaats van het te smelten.

Oefening 49.11 ★★

Een keten nylon-6,6 heeft een molaire massa van $22\,600\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . Bereken de molaire massa van zijn repeterende eenheid $\ce{C12H22N2O2}$ , en daarna de polymerisatiegraad.

Oplossing

Oplossing van Oefening 49.11.

$M(\ce{C12H22N2O2}) = 144.0 + 22.0 + 28.0 + 32.0 = 226.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $n = 22600/226.0 = 100$ .

Oefening 49.12 ★★★

Schrijf de reactie op tussen één molecuul hexaan-1,6-diamine en één molecuul hexaandizuur, waarbij de eerste amidebinding ontstaat. Waarom kan het product aan beide uiteinden verder reageren?

Oplossing

Oplossing van Oefening 49.12.

\ce{H2N(CH2)6NH2 + HOOC(CH2)4COOH -> H2N(CH2)6NHCO(CH2)4COOH + H2O} .

Het product heeft nog een vrije aminogroep aan het ene uiteinde en een vrije zuurgroep aan het andere: elk kan met een ander monomeer reageren.

Oefening 49.13 ★★★

Welke massa water komt er vrij als er $1.0\,\mathrm{kg}$ nylon-6,6 wordt gemaakt?

Oplossing

Oplossing van Oefening 49.13.

Twee moleculen water per repeterende eenheid. $n = 1000/226.0 = 4.42\,\mathrm{mol}$ repeterende eenheden, dus $8.85\,\mathrm{mol}$ water: $8.85 \times 18.0 = 159\,\mathrm{g}$ .

Oefening 49.14 ★★★

Natuurrubber is zacht en kleverig als het warm is; met zwavel verwarmd wordt het het elastische, taaie rubber van autobanden. Verklaar dat met de ketens. Waarom is een band zo moeilijk te recyclen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 49.14.

Warm natuurrubber bestaat uit ketens die langs elkaar glijden. Zwavelbruggen verbinden de ketens: ze rekken uit maar veren terug, en vloeien niet meer. Omdat een band dwarsverbindingen heeft, kun je hem niet smelten en opnieuw vormen.

Oefening 49.15 ★★★

Zetmeel en cellulose hebben dezelfde formule per eenheid, $\ce{C6H10O5}$ . Een celluloseketen heeft een molaire massa van $1.6 \times 10^{6}\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . Hoeveel glucose-eenheden bevat ze? Hoe lang is ze, als elke eenheid $0.5\,\mathrm{nm}$ aan haar lengte toevoegt?

Oplossing

Oplossing van Oefening 49.15.

$M(\ce{C6H10O5}) = 162.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $n = 1.6 \times 10^{6}/162.0 = 9900$ eenheden; lengte $9900 \times 0.5 = 4900\,\mathrm{nm}$ , ongeveer $5\,\text{µ}\mathrm{m}$ .

49.7 Probleem: Van fles tot fleece

Probleem 49.1

Weekendprobleem — hoeveel flessen van 25 g gaan er in één fleecevest?

Een fleecevest is gemaakt van $300\,\mathrm{g}$ PET-vezel. Gebruikte flessen van $25\,\mathrm{g}$ per stuk worden ingezameld, gesorteerd, gewassen, versnipperd, gesmolten en gesponnen; bij dit proces eindigt $80\,\%$ van de massa van de flessen als vezel in het vest.

Deel I — Het polymeer.

Noem de twee monomeren van PET en de karakteristieke groepen die ze dragen.
Welke binding ontstaat er tussen hen? Welk klein molecuul wordt afgesplitst?
Is PET een additie- of een condensatiepolymeer?
Bereken de molaire massa’s van de twee monomeren.
Leid daaruit de molaire massa af van de repeterende eenheid $\ce{C10H8O4}$ , en controleer die met haar formule.

Deel II — De ketens.

Het PET van een fles heeft ketens met een gemiddelde molaire massa van $38\,400\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . Bereken de polymerisatiegraad.
Hoeveel esterbindingen bevat één keten, ongeveer?
PET van flessen is gedeeltelijk kristallijn. Wat zegt dat over zijn ketens?
Waarom kun je PET smelten en tot een vezel spinnen?

Deel III — Recycling.

Welke massa flessen is er nodig voor één vest?
Hoeveel flessen zijn dat?
Wat gebeurt er met de rest van de massa?
Welk principe van de groene chemie past deze recycling toe?

Deel IV — Terug naar de monomeren.

Schrijf voor één repeterende eenheid de hydrolyse van PET tot zijn monomeren op.
Welke hoeveelheid repeterende eenheden zit er in $1.00\,\mathrm{kg}$ PET?
Welke massa’s van elk monomeer levert de volledige hydrolyse van $1.00\,\mathrm{kg}$ PET op?
Welke massa water verbruikt die? Controleer het behoud van massa.
Geef één voordeel van deze chemische recycling boven smelten.
Geef het eindantwoord: hoeveel flessen van $25\,\mathrm{g}$ gaan er in één fleecevest?

Oplossing

Oplossing van Probleem 49.1.

1. Ethaan-1,2-diol (twee alcoholgroepen) en benzeen-1,4-dicarbonzuur (twee carbonzuurgroepen).

2. Een esterbinding; er wordt water afgesplitst.

3. Een condensatiepolymeer.

4. $M(\ce{C2H6O2}) = 62.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $M(\ce{C8H6O4}) = 166.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

5. $62.0 + 166.0 - 2 \times 18.0 = 192.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; en $10 \times 12.0 + 8 \times 1.0 + 4 \times 16.0 = 192.0$ .

6. $n = 38400/192.0 = 200$ .

7. Twee esterbindingen per repeterende eenheid: ongeveer 400.

8. Zijn ketens zijn grotendeels lineair, en delen ervan liggen op een rij in geordende gebieden.

9. Het is een thermoplast: zijn ketens hebben geen dwarsverbindingen en glijden langs elkaar als ze heet zijn.

10. $300/0.80 = 375\,\mathrm{g}$ .

11. $375/25 = 15$ flessen.

12. Doppen, etiketten, vuil en snippers worden verwijderd of gaan verloren tijdens het sorteren, wassen en spinnen.

13. Voorkom afval (principe 1): een gebruikt voorwerp wordt grondstof.

14. $\ce{C10H8O4 + 2H2O -> C2H6O2 + C8H6O4}$ .

15. $1000/192.0 = 5.21\,\mathrm{mol}$ .

16. Diol: $5.21 \times 62.0 = 323\,\mathrm{g}$ ; zuur: $5.21 \times 166.0 = 865\,\mathrm{g}$ .

17. $2 \times 5.21 \times 18.0 = 188\,\mathrm{g}$ water; $1000 + 188 = 323 + 865 = 1188\,\mathrm{g}$ : de massa blijft behouden.

18. De monomeren kunnen gezuiverd worden en geven nieuw PET dat zo goed is als nieuw, terwijl smelten de ketens telkens een beetje korter maakt.

19. Voor één fleecevest zijn 15 flessen van $25\,\mathrm{g}$ nodig.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst