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01 Feuer
02 Dampf
03 Kennzeichen
04 Vinyl
05 Datenband
06 CD
07 Reifen
08 Öl
09 Katalysator
10 Holz
11 Beton
12 Dämmstoffe
13 Treibgase
14 Treibhaus
15 Regen
16 Brausen
17 Eis
18 Nudeln
19 Butter
20 Protein
21 Kochen
22 Bonbon
Gedanken
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Chemie des Autoreifens

Fragen vorweg

1. Kann man einen Gummi-Autoreifen bauen, der die Straße kaputtmacht, statt dass die Straße den Gummi-Reifen kaputtmacht?

2. Was unterscheidet chemisch Hartgummi von Weichgummi?

3. Warum sind Reifen ein Sonderproblem auf Müllkippen?

4. Die tollsten Gummistränge, die wir manchmal sehen, sind beim Bungee-Jumping im Einsatz. Wie sind sie chemisch gebaut?

Thema "Gummi" - Die Bildschau zum Unterricht

Das folgende ist ein in den Kapiteln umgestellter, in den Sätzen aber beibehaltener Wikipedia-Text    http://de.wikipedia.org/wiki/Gummi   :

"Ein Großteil der industriellen Gummiproduktion geht in die Reifenherstellung

Der Begriff Gummi (über lat. cummi und griech. kómmi aus dem ägyptischen kami) bezeichnete ursprünglich kautschukähnliche Pflanzensäfte (Milchsaft), die beim Eintrocknen durch Polymerisation zu plastisch-elastischen Feststoffen verhärten. Sie enthalten einen wasserlöslichen Anteil und Gummiharze (Latex). 

Als Werkstoff Gummi wird heute vulkanisierter Kautschuk bezeichnet. Kautschuk ist im Milchsaft (Latex) von tropischen Pflanzen enthalten und wird hauptsächlich aus dem Kautschukbaum (Hevea brasiliensis, ein Wolfsmilchgewächs) gewonnen (indian. cao = Baum und ochu = Träne). In der Natur dient Kautschuk dem Schutz des Baumes, denn er dichtet verletzte Stellen vor Bakterienbefall ab. 

Reines Naturgummi ist in seiner Dehnbarkeit (7- bis 10-fach) den meisten synthetischen Gummisorten überlegen und besitzt aufgrund spezieller pflanzlicher Kautschukbestandteile (z. B. Proteine) eine unerreicht geringe innere Reibung, was seine Kontraktionsgeschwindigkeit erhöht. Deshalb enthalten Fahrzeugreifen auch heute noch einen Anteil Naturkautschuk

Flugzeugreifen für Jumbojets sind sogar frei von synthetischem Kautschuk, da dessen höhere innere Reibung den Reifen beim Landen überhitzen würde. Naturkautschuk ist bernsteinfarben und wird für Autoreifen mit künstlich hergestelltem Ruß zur Modifikation der Eigenschaften (z. B. Abrieb, Reißfestigkeit, Härte) gemischt.

Nachteil dieser Gummisorte ist ihre Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen; so wird Naturgummi z. B. durch alle Öle und Fette sowie Dauernässe zersetzt, und altert an Luft. Bei großer Kälte (bei Naturgummi ca. -40 °C) gefriert Gummi glashart und bricht bei Belastung spröde.

Synthetischer Kautschuk besteht meist aus Styrol und Butadien

Gummi ist nicht unbegrenzt lagerfähig. Radiergummis, Dichtgummis und Gummiringe werden mit der Zeit spröde und reißen bzw. radieren nicht mehr. Alte Autoreifen sind eine Gefahr, weil sie während der Fahrt platzen können. Besonders Luftschadstoffe wie Ozon, die Kombination aus UV-Licht und Sauerstoff sowie Dauernässe führen zur Versprödung des Materials, wobei Risse besonders an mechanisch belasteten Stellen entstehen. 

Zersetzung von Kautschuk-Gummi (besonders durch Ozon) verfärbt oft dessen Oberfläche gräulich und bewirkt im Allgemeinen schon sehr früh einen charakteristisch bitteren Geruch, was zum Aufspüren von Schäden nutzbar ist. Luftdicht, trocken, kühl und dunkel aufbewahrtes Gummi zersetzt sich bei korrekter Herstellung jedoch kaum und kann problemlos Menschenleben überdauern. Allerdings führt Alterung zur Verhärtung durch fortschreitende Vernetzung der Molekülstränge.

Gummi ist aufgrund der Molekülvernetzung nicht schmelzbar; bei Überhitzung zersetzt es sich bleibend zu einer klebrigen Masse. Naturgummi ist dabei nicht sonderlich hitzebeständig; schon bei nur 60 °C verliert es nach wenigen Stunden an Festigkeit."

Aus all dem ist chemisch am interessantesten die Vulkanisation, und als zweites die Herstellung von Kunstgummi. Schaun wir da mal rein:

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http://de.wikipedia.org/wiki/Vulkanisierung:

"Zur Vulkanisation wird eine Kautschukmischung, bestehend aus Rohkautschuk, Schwefel oder schwefelspendenden Stoffen wie z. B. Dischwefeldichlorid (S2Cl2), Katalysatoren (zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit) und Füllstoffen erhitzt. Dabei werden die langkettigen Kautschukmoleküle durch Schwefelbrücken vernetzt. Hierdurch gehen die plastischen Eigenschaften des Kautschuks bzw. der Kautschukmischung verloren, der Stoff wird mittels des Verfahrens der Vulkanisation vom plastischen in einen elastischen Zustand überführt.

Der bei diesem Verfahren entstehende Gummi hat gegenüber dem Ausgangsprodukt dauerelastische Eigenschaften, kehrt bei mechanischer Beanspruchung jeweils wieder in seine Ursprungslage zurück, hat eine höhere Reißfestigkeit, Dehnung und Beständigkeit gegenüber Alterung und Witterungseinflüssen.

Die Elastizität des Gummiwerkstoffs ist abhängig von der Anzahl der Schwefelbrücken. Je mehr Schwefelbrücken vorhanden sind, desto härter ist der Gummi. Die Anzahl der Schwefelbrücken ist wiederum abhängig von der zugesetzten Schwefelmenge und der Dauer der Vulkanisation.

Bei Alterung des Gummis werden die Schwefelbrücken durch Sauerstoffbrücken ersetzt; der Gummi wird brüchig und porös."

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Als Synthesekautschuk bezeichnet man elastische Polymere, aus denen Gummi hergestellt werden und die auf der Basis petrochemischer Rohstoffe hergestellt werden. Kunstgummi wird auf Umwegen also aus Erdöl oder Kohle synthetisiert.

Styrol-Butadien-Kautschuk ist der Ausgangsstoff für die weitaus am meisten hergestellte Variante des synthetischen Gummis. Sein Kurzzeichen ist SBR, abgeleitet von der englischen Bezeichnung „Styrene Butadiene Rubber“. Der klassische Markenname dieses Stoffes ist "Buna". Dieses Wort erklärt sich aus den Anfangsbuchstaben der Chemikalien, die zur Synthese benötigt werden: Butadien und Natrium. Natrium fungiert als Katalysator für die Polymerisation des Butadien. Buna (-S) ist aber genauer ein Copolymer aus 70 % 1,3-Butadien und 30 % Styrol im Gegensatz zu Naturkautschuk, einem Isopren-Polymer.

Butadien im Kunstggummi

- hübsche Bilder von der Raumnahme dieses Moleküls - unten das ist ja nur das "Skelett" - gibt es auf http://lpmfs.lpm.uni-sb.de/chemie/spartan_Pub/alkene/13-Butadien.htm

Isopren hat am zweiten C-Atom eine Methylgruppe -CH3 statt des H:

Isopren im Naturkautschuk

- auch zu Isopren gibt es eine weiterführende Bilderseite. Ein und dasselbe Molekül kann in der Chemie je nach Darstellungsziel verschieden wiedergegeben werden: http://www.mpipks-dresden.mpg.de/mpi-doc/quantumchemistry/ChemieAlltag/Isopren/isopren.html 

 

... nun noch einige Fachbegriffe und feine Begründungen aus der Welt der Kunststoffe, zitiert nach http://de.wikipedia.org/wiki/Elastomer :

Elastomere sind formfeste, aber elastisch verformbare Kunststoffe. Sie können sich bei Zug- und Druckbelastung elastisch verformen, finden aber danach wieder in ihre ursprüngliche, unverformte Gestalt zurück. Elastomere finden Verwendung als Material für Reifen, Gummibänder, Dichtungsringe usw.

Ursache der Elastizität ist überwiegend die Fähigkeit der geknäulten Polymerketten, auf eine Zugbelastung mit einer Streckung bzw. Entflechtung der Ketten zu reagieren. Nach Abfall der Zugbelastung relaxieren die Ketten wieder in ihren statistisch bevorzugten knäuelartigen Zustand zurück. Dieses Phänomen äußert sich durch ein Strecken unter Zugspannung und das anschließende Zusammenziehen nach Abfall der Spannung. Um ein Aneinandervorbeigleiten der Ketten unter der Zugbelastung zu vermeiden, werden die Ketten bei Gummi durch Schwefelbrücken untereinander verbunden. Beim Zusatz von viel Schwefel bei der Vulkanisation entsteht somit Hartgummi, bei der Zugabe von wenig Schwefel Weichgummi.

Elastomere sind nicht schmelzbar. 

Das besondere an Elastomeren ist, dass ihre Elastizität (anders als Metallfedern) nicht auf Anziehungskräften zwischen sich ändernden Atomabständen beruht, sondern ein statisch-dynamisches Gleichgewicht zwischen Ordnung und Entropie darstellt. Das Elastomer speichert daher keinerlei Spannenergie in sich selbst, sondern strahlt die beim Dehnen (und anderen Verformungen) zugeführte Energie als Wärme aus und erhöht stattdessen seine innere Ordnung. Wie ein Muskel benötigt es deshalb für erneutes Zusammenziehen Zufuhr von Energie, welche das Elastomer durch Brownsche Molekularbewegung der Umgebungswärme entnimmt.

Bei großer Kälte verlieren Elastomere ihre Kraft und können glashart gefrieren. Ein maßvolles Erhöhen der Temperatur erhöht erheblich die Spannkraft des Elastomers, da es ihm Energie zuführt, wodurch es Arbeit verrichten kann.

Die Glasübergangstemperatur (auch Glas- oder Glasumwandlungstemperatur) ist durch die Umwandlung einer mehr oder weniger harten, amorphen glasartigen oder teilkristallinen Polymerprobe in eine gummiartige bis zähflüssige Phase gekennzeichnet. Der Übergang in diesen Bereich tritt nicht spontan ein. Es existiert vielmehr über eine gewisse Temperatur hinweg ein so genannter Haupterweichungsbereich. Ursächlich für das Phänomen der Glasübergangstemperatur ist das Einfrieren oder Auftauen der Bewegungen längerer Kettensegmente (20 bis 50 Kettenatome) der Makromoleküle. Die Makrokonformation ändert sich dagegen bei Erreichen der Glasübergangstemperatur nicht. Es tritt eine messbare Änderung der Viskosität, der Härte, des Elastizitätsmoduls, des Volumens, der Enthalpie und der Entropie ein. Gummi hat seine Glasübergangstemperatur etwa bei minus 50 Grad Celsius.

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"Gummi arabicum" ist ein Polysaccharid, also chemisch entfernt verwandt mit "Stärke", und NICHT verwandt mit Kautschuk-Gummi.  (http://de.wikipedia.org/wiki/Gummi_arabicum)

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Was aus diesen Textmengen ist wichtig für die Klausur?

Gummi gibt es aus einer natürlichen Quelle: Es ist die mit Schwefel gekochte Aufbereitung von Latex. Latex ist der Milchsaft des Kautschukbaumes. Der Kautschukbaum wächst in Gebieten mit Regenwald, also in den Tropen, z.B. im Amazonasgebiet. Künstlich wird Gummi auch hergestellt. Der klassische Name des Kunstgummis ist "Buna". Buna ist ein Kunststoff mit Makromolekülen, die aus der Verknüpfung zweier verschiedener Monomere hergestellt werden: Butadien (Formel steht weiter oben) und Styrol:

Das "Na" im "Buna" ist das Element Natrium, das die Polymerisierungsreaktion katalysiert. Also Natrium beschleunigt die chemische Reaktion, dass sich Butadien und Styrol zu großen (= "makro") Molekülen verbinden, um das Tausendfache.

Das Besondere am Gummi ist seine elastische Dehnbarkeit. Es ist ein "Elastomer". "Elastisch" bedeutet, dass nach einer Dehnung das Gummi wieder in seine Ausgangsform zurückkehrt. Erklärung: Die Makromoleküle des Kautschuks und auch des Kunstgummis orientieren sich zunächst nach allen Richtungen umeinander. Sie können aber ihre Bindungswinkel ändern - das ist selten. Bei Zug strecken sich also diese Moleküle. Sie können nun nicht auseinanderrutschen, weil sie vulkanisiert wurden. Das Kochen von Rohkautschuk und Roh-Kunst-Gummi mit Schwefel nennt man "Vulkanisation". Also zwischen den Gummi-Makromolekülen liegen "Heftklammern" aus Schwefelbrücken. Ehndet der Zug am Gummi, flutschten die Moleküle zurück zu ihren "Lieblings-Bindungswinkeln" - physikalisch gesagt zu den Bundungswinkeln zwischen den Kohlenstoffatomen, die energetisch am günstigsten sind.

Wer an einem Gummi zieht, übt Arbeit aus. Das gezogene Gummi reicht die in es hineingesteckte Arbeit als Wärme an die Umgebung weiter. Das ist eine Besonderheit: Gummi wird etwas warm, wenn man es zieht - und physikalisch korrekt, aber erstaunlich: Wenn das Gummi in seine Ausgangsform zurückschnellt, holt es sich Energie aus der Umgebung, kühlt diese also ab.

Autoreifen sind aus hartem und abriebfestem Gummi. Hart kann man Gummi machen, indem man es lange mit viel Schwefel vulkanisiert. Die Abriebfestigkeit wird wieder einmal, wie schon bei der Vinyl-Schallplatte, durch Zugabe von Ruß, also Kohlestaub, erzielt. Wegen der Kohle sind Autoreifen schwarz.

Gummi altert an Luft: Der Sauerstoff O2 setzt sich in den Makromolekülen an die Stelle, wo zuvor Schwefel war. Aber die Bindungen des Sauerstoffs sind dort nicht biegsam. Das Gummi wird spröde.