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Nov 26, 2023

Erklärer: Was sind Polymere?

Polymere, ob künstlich (wie der gezeigte Kunststoff) oder natürlich, bestehen aus

Polymere, ob künstlich (wie der abgebildete Kunststoff) oder natürlich, bestehen aus sich wiederholenden Ketten kleinerer chemischer Einheiten. Hier werden Kohlenstoffatome schwarz, Sauerstoff rot und Wasserstoff weiß dargestellt.

Molekül/iStockphoto

Von Sid Perkins

13. Oktober 2017 um 5:50 Uhr

Polymere gibt es überall. Sieh dich nur um. Deine Plastikwasserflasche. Die Silikongummi-Aufsätze an den Ohrhörern Ihres Telefons. Das Nylon und Polyester in Ihrer Jacke oder Ihren Turnschuhen. Das Gummi in den Reifen des Familienautos. Werfen Sie nun einen Blick in den Spiegel. Viele Proteine ​​in Ihrem Körper sind ebenfalls Polymere. Denken Sie an Keratin (KAIR-uh-tin), den Stoff, aus dem Ihre Haare und Nägel bestehen. Sogar die DNA in Ihren Zellen ist ein Polymer.

Per Definition sind Polymere große Moleküle, die durch Bindung (chemische Verknüpfung) einer Reihe von Bausteinen entstehen. Das Wort Polymer kommt von den griechischen Wörtern für „viele Teile“. Jeder dieser Teile wird von Wissenschaftlern als Monomer bezeichnet (was auf Griechisch „ein Teil“ bedeutet). Stellen Sie sich ein Polymer als eine Kette vor, bei der jedes seiner Glieder ein Monomer ist. Diese Monomere können einfach sein – nur ein oder zwei oder drei Atome – oder komplizierte ringförmige Strukturen mit einem Dutzend oder mehr Atomen.

In einem künstlichen Polymer ist jedes Kettenglied häufig mit seinen Nachbarn identisch. Aber in Proteinen, DNA und anderen natürlichen Polymeren unterscheiden sich die Kettenglieder oft von ihren Nachbarn.

In einigen Fällen bilden Polymere eher verzweigte Netzwerke als einzelne Ketten. Unabhängig von ihrer Form sind die Moleküle sehr groß. Sie sind tatsächlich so groß, dass Wissenschaftler sie als Makromoleküle einstufen. Polymerketten können Hunderttausende von Atomen umfassen – sogar Millionen. Je länger eine Polymerkette ist, desto schwerer ist sie. Und im Allgemeinen verleihen längere Polymere den daraus hergestellten Materialien eine höhere Schmelz- und Siedetemperatur. Außerdem gilt: Je länger eine Polymerkette ist, desto höher ist ihre Viskosität (oder der Fließwiderstand als Flüssigkeit). Der Grund: Sie haben eine größere Oberfläche und möchten daher an benachbarten Molekülen haften.

Wolle, Baumwolle und Seide sind natürliche Materialien auf Polymerbasis, die seit der Antike verwendet werden. Zellulose, der Hauptbestandteil von Holz und Papier, ist ebenfalls ein natürliches Polymer. Andere umfassen die von Pflanzen hergestellten Stärkemoleküle. [Hier ist eine interessante Tatsache: Sowohl Cellulose als auch Stärke bestehen aus demselben Monomer, dem Zucker Glucose. Dennoch haben sie sehr unterschiedliche Eigenschaften. Stärke löst sich in Wasser und kann verdaut werden. Doch Zellulose löst sich nicht auf und kann vom Menschen nicht verdaut werden. Der einzige Unterschied zwischen diesen beiden Polymeren besteht darin, wie die Glucosemonomere miteinander verknüpft wurden.]

Lebewesen bauen Proteine ​​– eine besondere Art von Polymer – aus Monomeren auf, die Aminosäuren genannt werden. Obwohl Wissenschaftler rund 500 verschiedene Aminosäuren entdeckt haben, nutzen Tiere und Pflanzen nur 20 davon zum Aufbau ihrer Proteine.

Im Labor haben Chemiker viele Möglichkeiten, Polymere zu entwerfen und herzustellen. Sie können künstliche Polymere aus natürlichen Inhaltsstoffen herstellen. Oder sie können Aminosäuren verwenden, um künstliche Proteine ​​aufzubauen, die anders sind als alle, die Mutter Natur herstellt. Häufiger stellen Chemiker Polymere aus im Labor hergestellten Verbindungen her.

Polymerstrukturen können aus zwei verschiedenen Komponenten bestehen. Alles beginnt mit einer Grundkette aus chemisch gebundenen Gliedern. Dies wird manchmal als sein Rückgrat bezeichnet. Einige haben möglicherweise auch sekundäre Teile, die an einigen (oder allen) Gliedern der Kette baumeln. Eine dieser Bindungen kann so einfach sein wie ein einzelnes Atom. Andere sind möglicherweise komplexer und werden als Pendantgruppen bezeichnet. Das liegt daran, dass diese Gruppen an der Hauptkette des Polymers hängen, genau wie einzelne Anhänger an der Kette eines Bettelarmbandes hängen. Da sie stärker der Umgebung ausgesetzt sind als die Atome, aus denen die Kette selbst besteht, bestimmen diese „Reize“ oft, wie ein Polymer mit sich selbst und anderen Dingen in der Umgebung interagiert.

Manchmal verbinden hängende Gruppen tatsächlich zwei Ketten miteinander, anstatt lose an einer Polymerkette zu hängen. (Stellen Sie sich das wie eine Sprosse vor, die sich zwischen den Beinen einer Leiter erstreckt.) Chemiker bezeichnen diese Verbindungen als Vernetzungen. Sie neigen dazu, ein aus diesem Polymer hergestelltes Material (z. B. einen Kunststoff) zu verstärken. Außerdem machen sie das Polymer härter und schwieriger zu schmelzen. Je länger die Vernetzung ist, desto flexibler wird ein Material.

Eine chemische Bindung hält Atome in einem Molekül und einigen Kristallen zusammen. Theoretisch kann jedes Atom, das zwei chemische Bindungen eingehen kann, eine Kette bilden; Es ist, als bräuchte man zwei Hände, um sich mit anderen Menschen zu verbinden und einen Kreis zu bilden. (Wasserstoff würde nicht funktionieren, da er nur eine Bindung eingehen kann.)

Aber Atome, die normalerweise nur zwei chemische Bindungen eingehen, wie zum Beispiel Sauerstoff, bilden oft keine langen, polymerähnlichen Ketten. Warum? Sobald Sauerstoff zwei Bindungen eingeht, wird er stabil. Das heißt, seine beiden „ausgestreckten Hände“ sind bereits vergeben. Keiner bleibt mehr übrig, um eine Anhängergruppe zu halten. Da viele Atome, die Teil des Polymergerüsts sind, im Allgemeinen über mindestens eine Seitengruppe verfügen, erscheinen typischerweise Elemente in der Polymerkette, die durch vier Bindungen stabil werden, wie etwa Kohlenstoff und Silizium.

Einige Polymere sind flexibel. Andere sind sehr steif. Denken Sie nur an die vielen Arten von Kunststoffen: Das Material einer flexiblen Limonadenflasche unterscheidet sich stark von dem eines starren Rohrs aus Polyvinylchlorid (PVC). Manchmal fügen Materialwissenschaftler ihren Polymeren noch andere Dinge hinzu, um sie flexibel zu machen. Man nennt sie Weichmacher. Diese nehmen Platz zwischen einzelnen Polymerketten ein. Stellen Sie sich vor, dass sie wie ein Schmiermittel im molekularen Maßstab wirken. Sie lassen die einzelnen Ketten leichter übereinander gleiten.

Da viele Polymere altern, können sie Weichmacher an die Umwelt verlieren. Oder alternde Polymere können mit anderen Chemikalien in der Umgebung reagieren. Solche Veränderungen helfen zu erklären, warum manche Kunststoffe zunächst flexibel sind, später aber steif oder spröde werden.

Polymere haben keine bestimmte Länge. Normalerweise bilden sie auch keine Kristalle. Schließlich haben sie normalerweise keinen bestimmten Schmelzpunkt, bei dem sie sofort von einem Feststoff in einen flüssigen Zustand übergehen. Stattdessen neigen Kunststoffe und andere Materialien aus Polymeren dazu, bei Erwärmung allmählich weicher zu werden.

AminosäurenEinfache Moleküle, die natürlicherweise in pflanzlichen und tierischen Geweben vorkommen und die Grundbausteine ​​von Proteinen sind.

Anatomie (Adj. anatomisch) Das Studium der Organe und Gewebe von Tieren. Oder die Charakterisierung des Körpers oder von Körperteilen anhand seiner Struktur und Gewebe. Wissenschaftler, die auf diesem Gebiet arbeiten, werden Anatomen genannt.

Atom Die Grundeinheit eines chemischen Elements. Atome bestehen aus einem dichten Kern, der positiv geladene Protonen und ungeladene Neutronen enthält. Der Kern wird von einer Wolke negativ geladener Elektronen umkreist.

Bindung (in der Chemie) Eine semipermanente Bindung zwischen Atomen – oder Atomgruppen – in einem Molekül. Es entsteht durch eine Anziehungskraft zwischen den beteiligten Atomen. Sobald die Atome verbunden sind, funktionieren sie als Einheit. Um die einzelnen Atome zu trennen, muss dem Molekül Energie in Form von Wärme oder einer anderen Art von Strahlung zugeführt werden.

Kohlenstoff Das chemische Element mit der Ordnungszahl 6. Es ist die physikalische Grundlage allen Lebens auf der Erde. Kohlenstoff kommt in freier Form als Graphit und Diamant vor. Es ist ein wichtiger Bestandteil von Kohle, Kalkstein und Erdöl und kann sich chemisch selbst verbinden, um eine enorme Anzahl chemisch, biologisch und kommerziell wichtiger Moleküle zu bilden.

Zelle Die kleinste Struktur- und Funktionseinheit eines Organismus. Normalerweise ist es zu klein, um mit bloßem Auge gesehen zu werden, und besteht aus einer wässrigen Flüssigkeit, die von einer Membran oder Wand umgeben ist. Je nach Größe bestehen Tiere aus Tausenden bis Billionen Zellen. Die meisten Organismen, wie Hefen, Schimmelpilze, Bakterien und einige Algen, bestehen nur aus einer Zelle.

Zellulose Eine Faserart, die in pflanzlichen Zellwänden vorkommt. Es besteht aus Ketten von Glukosemolekülen.

chemisch Eine Substanz, die aus zwei oder mehr Atomen besteht, die sich in einem festen Verhältnis und einer festen Struktur vereinen (binden). Wasser ist beispielsweise eine Chemikalie, die entsteht, wenn sich zwei Wasserstoffatome an ein Sauerstoffatom binden. Seine chemische Formel ist H2O. Chemisch kann auch ein Adjektiv sein, um Eigenschaften von Materialien zu beschreiben, die das Ergebnis verschiedener Reaktionen zwischen verschiedenen Verbindungen sind.

chemische Bindungen Anziehungskräfte zwischen Atomen, die stark genug sind, damit die verbundenen Elemente als eine Einheit funktionieren. Einige der Anziehungskräfte sind schwach, andere sehr stark. Alle Bindungen scheinen Atome durch die gemeinsame Nutzung von Elektronen oder den Versuch, diese zu teilen, zu verbinden.

KomponenteEtwas, das Teil von etwas anderem ist (z. B. Teile, die auf eine elektronische Leiterplatte passen, oder Zutaten, die in ein Keksrezept eingehen).

Verbindung (oft als Synonym für chemisch verwendet) Eine Verbindung ist eine Substanz, die entsteht, wenn sich zwei oder mehr chemische Elemente in festen Verhältnissen vereinigen (binden). Wasser ist beispielsweise eine Verbindung aus zwei Wasserstoffatomen, die an ein Sauerstoffatom gebunden sind. Sein chemisches Symbol ist H2O.

Kristall (Adj. kristallin) Ein Festkörper, der aus einer symmetrischen, geordneten, dreidimensionalen Anordnung von Atomen oder Molekülen besteht. Es ist die organisierte Struktur, die die meisten Mineralien haben. Apatit beispielsweise bildet sechsseitige Kristalle. Die Mineralkristalle, aus denen Gestein besteht, sind normalerweise zu klein, um mit bloßem Auge gesehen zu werden.

sich auflösen Um einen Feststoff in eine Flüssigkeit umzuwandeln und ihn in dieser Ausgangsflüssigkeit zu verteilen. (Zum Beispiel lösen sich Zucker- oder Salzkristalle, bei denen es sich um Feststoffe handelt, in Wasser auf. Jetzt sind die Kristalle verschwunden und die Lösung ist eine vollständig dispergierte Mischung der flüssigen Form des Zuckers oder Salzes in Wasser.)

DNA (Abkürzung für Desoxyribonukleinsäure) Ein langes, doppelsträngiges und spiralförmiges Molekül in den meisten lebenden Zellen, das genetische Anweisungen trägt. Es ist auf einem Rückgrat aus Phosphor-, Sauerstoff- und Kohlenstoffatomen aufgebaut. Bei allen Lebewesen, von Pflanzen und Tieren bis hin zu Mikroben, sagen diese Anweisungen den Zellen, welche Moleküle sie herstellen sollen.

Element (in der Chemie) Jede von mehr als hundert Substanzen, deren kleinste Einheit jeweils ein einzelnes Atom ist. Beispiele hierfür sind Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff, Lithium und Uran.

Glucose Ein Einfachzucker, der in lebenden Organismen eine wichtige Energiequelle darstellt. Als Energiequelle, die sich durch den Blutkreislauf bewegt, wird er als „Blutzucker“ bezeichnet. Es ist die Hälfte des Moleküls, aus dem Haushaltszucker (auch Saccharose genannt) besteht.

KeratinEin Protein, aus dem Ihre Haare, Nägel und Haut bestehen.

SchmiermittelEine Substanz, die verwendet wird, um die Reibung zwischen miteinander in Kontakt stehenden Oberflächen zu verringern.

Makromolekül Ein Molekül, das eine große Anzahl von Atomen enthält. (Das Präfix „makro“ kommt aus dem Griechischen und bedeutet „groß“ oder „lang“.) Polymere, einschließlich natürlicher Proteine ​​(wie DNA) und künstlicher Materialien (wie Nylon und Polyester), sind Beispiele für Makromoleküle.

Materialwissenschaftler Jemand, der die Art und Weise untersucht, in der die atomare und molekulare Struktur eines Materials mit seinen Gesamteigenschaften zusammenhängt. Materialwissenschaftler können neue Materialien entwerfen oder bestehende analysieren. Ihre Analysen der Gesamteigenschaften eines Materials (wie Dichte, Festigkeit und Schmelzpunkt) können Ingenieuren und anderen Forschern dabei helfen, Materialien auszuwählen, die für eine neue Anwendung am besten geeignet sind.

Molekül Eine elektrisch neutrale Atomgruppe, die die kleinstmögliche Menge einer chemischen Verbindung darstellt. Moleküle können aus einzelnen Atomarten oder aus verschiedenen Atomarten bestehen. Beispielsweise besteht der Sauerstoff in der Luft aus zwei Sauerstoffatomen (O2), Wasser hingegen aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom (H2O).

Monomer Ein Molekül, das als Grundbaustein für einige größere Moleküle, sogenannte Polymere, verwendet wird. Aus dem Griechischen bedeutet Monomer „ein Teil“. (Polymer, ebenfalls aus dem Griechischen, bedeutet „viele Teile“.)

NetzwerkEine Gruppe miteinander verbundener Personen oder Dinge.

Stickstoff Ein farbloses, geruchloses und nicht reaktives gasförmiges Element, das etwa 78 Prozent der Erdatmosphäre ausmacht. Sein wissenschaftliches Symbol ist N. Stickstoff wird bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe in Form von Stickoxiden freigesetzt.

Nylon Ein seidiges Material, das aus langen, künstlich hergestellten Molekülen, sogenannten Polymeren, besteht. Dabei handelt es sich um lange Ketten miteinander verbundener Atome.

Sauerstoff Ein Gas, das etwa 21 Prozent der Erdatmosphäre ausmacht. Alle Tiere und viele Mikroorganismen benötigen Sauerstoff, um ihr Wachstum (und ihren Stoffwechsel) anzutreiben.

Anhängergruppe (in der Chemie) Eine Gruppe von Atomen, die an den Hauptgliedern eines Polymers (einer Art kettenartiges Molekül) hängen. Solche anhängenden Atomgruppen (sowie alle einzelnen Atome, die möglicherweise an ein Polymer gebunden sind) bestimmen oft, wie das Polymer mit anderen Substanzen in seiner Umgebung interagiert.

Plastik Jedes aus einer Reihe von Materialien, die leicht verformbar sind; oder synthetische Materialien, die aus Polymeren (langen Strängen einiger Bausteinmoleküle) hergestellt werden, die tendenziell leicht, kostengünstig und resistent gegen Abbau sind.

WeichmacherEine von mehreren Chemikalien, die bestimmten synthetischen Materialien zugesetzt werden, um sie weich und/oder biegsam zu machen.

Polyester Ein synthetisches Material, das hauptsächlich zur Herstellung von Stoffen verwendet wird. Die eigentliche chemische Bezeichnung für das verwendete Material ist Polyethylenterephthalat.

Polymer Eine Substanz, die aus langen Ketten sich wiederholender Atomgruppen besteht. Zu den hergestellten Polymeren gehören Nylon, Polyvinylchlorid (besser bekannt als PVC) und viele Arten von Kunststoffen. Zu den natürlichen Polymeren gehören Gummi, Seide und Zellulose (die in Pflanzen vorkommen und beispielsweise zur Papierherstellung verwendet werden).

Polyvinylchlorid (PVC) Ein Kunststoff, der durch Hitze entsteht, um ein flüssiges Harz in einen Feststoff umzuwandeln. Der Kunststoff kann weich und flexibel oder starr und hart sein. Die Rohstoffe bestehen hauptsächlich aus Chlor und Kohlenstoff.

Eiweiß Eine Verbindung aus einer oder mehreren langen Aminosäureketten. Proteine ​​sind ein wesentlicher Bestandteil aller lebenden Organismen. Sie bilden die Grundlage lebender Zellen, Muskeln und Gewebe; Sie erledigen auch die Arbeit innerhalb von Zellen. Zu den bekannteren, eigenständigen Proteinen gehören das Hämoglobin (im Blut) und die Antikörper (ebenfalls im Blut), die versuchen, Infektionen zu bekämpfen. Medikamente wirken häufig, indem sie sich an Proteine ​​binden.

Widerstand(in der Physik) Etwas, das ein physikalisches Material (z. B. einen Holzblock, einen Wasser- oder Luftstrom) daran hindert, sich frei zu bewegen, normalerweise weil es Reibung erzeugt, um seine Bewegung zu behindern.

Silizium Ein nichtmetallisches, halbleitendes Element, das zur Herstellung elektronischer Schaltkreise verwendet wird. Reines Silizium liegt in glänzender, dunkelgrauer kristalliner Form und als formloses Pulver vor.

Silikon Hitzebeständige Stoffe, die vielseitig einsetzbar sind, darunter auch gummiartige Materialien, die für eine wasserdichte Abdichtung an Fenstern und in Aquarien sorgen. Einige Silikone dienen als fettartige Schmiermittel in Pkw und Lkw. Die meisten Silikone, ein Molekültyp, der als Polymer bekannt ist, sind um lange Ketten aus Silizium- und Sauerstoffatomen aufgebaut.

Stärke Eine weiche, weiße Chemikalie, die von allen grünen Pflanzen hergestellt wird. Es ist ein relativ langes Molekül, das aus der Verknüpfung vieler kleinerer, identischer Bausteine ​​besteht – allesamt Glukose, ein einfacher Zucker. Pflanzen und Tiere nutzen Glukose als Energiequelle. Pflanzen speichern diese Glukose in Form von Stärke als Energiereserve. Tiere, die Stärke konsumieren, können die Stärke in Glukosemoleküle spalten, um daraus nützliche Energie zu gewinnen.

Viskosität Das Maß für die Widerstandsfähigkeit einer Flüssigkeit gegenüber Belastung. Die Viskosität gibt an, wie „dick“ eine Flüssigkeit ist. Honig ist beispielsweise sehr zähflüssig, während Wasser eine relativ niedrige Viskosität aufweist.

Sid Perkins ist ein preisgekrönter Wissenschaftsautor, der mit seiner Frau, zwei Hunden und drei Katzen in Crossville, Tennessee, lebt. Er kocht und arbeitet gerne mit Holz und möchte unbedingt besser Golf spielen.

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