Werkstofflich · Ketten überwiegend erhalten
Sortieren, waschen, zerkleinern und aufschmelzen: Ein Thermoplast wird neu geformt. Es werden nicht gezielt Monomere hergestellt.
Chemie · Verstehen und üben
Kunststoffrecycling
Polymerketten erhalten oder spalten? Vergleiche Recyclingwege, erkläre die PET-Hydrolyse und berechne nutzbare Materialmengen.
Polymer → neues Material oder chemische Bausteine
Kettenstruktur · Reaktion · Stoffstrom
Die chemische Struktur bestimmt den Recyclingweg
Kunststoffe bestehen aus langen Polymerketten. Beim Recycling werden gebrauchte Kunststoffe zu neuem Material aufbereitet. Entscheidend ist: Bleiben die Ketten überwiegend erhalten, oder werden ihre kovalenten Bindungen gezielt gespalten?
Polyethen (PE) besitzt eine C–C-Hauptkette. PET ist ein Polyester mit Estergruppen –C(=O)–O–. Diese Gruppen können hydrolytisch gespalten werden. Im PET-Ausschnitt steht C₆H₄ für einen para-disubstituierten Benzolring.
Vorwissen: Kunststoffaufbau und Ester und Veresterung.
Drei Verwertungswege chemisch unterscheiden
Chemisch · Ketten spalten
Hydrolyse, andere Solvolysen oder Pyrolyse zerlegen Polymere in kleinere Moleküle. Diese müssen aufbereitet werden, bevor sie als Rohstoffe dienen.
Energetisch · Verbrennen
Der Kunststoff reagiert mit Sauerstoff. Energie wird genutzt, aber der Werkstoff geht verloren. Das ist kein stoffliches Recycling.
Wiederverwenden · Gegenstand erhalten
Ein Produkt wird erneut benutzt, möglichst ohne aufwendige Umwandlung. Es muss dafür geeignet, sicher und ausreichend haltbar sein.
PE-Verbrennung, idealisiert pro Wiederholungseinheit: C₂H₄ + 3 O₂ → 2 CO₂ + 2 H₂O
Warum ein Thermoplast schmilzt, ein Duroplast aber nicht
Beim Erwärmen werden Bewegungen der Polymerketten möglich; zwischenmolekulare Anziehungen werden teilweise überwunden. Die kovalenten Bindungen entlang der Ketten bleiben beim schonenden Aufschmelzen überwiegend erhalten.
Thermoplast
Lineare oder verzweigte, nicht dauerhaft kovalent vernetzte Ketten können gegeneinander gleiten. PE und PET lassen sich unter geeigneten Bedingungen aufschmelzen.
Duroplast und Elastomer
Kovalente Vernetzungen verhindern freies Fließen. Duroplaste sind engmaschig, Elastomere weitmaschig vernetzt. Sie lassen sich nicht wie Thermoplaste einfach einschmelzen.
Zu hohe Temperaturen, Sauerstoff oder Feuchtigkeit können Ketten abbauen. Wiederholtes Verarbeiten ist daher nicht automatisch ohne Qualitätsverlust möglich.
PET-Hydrolyse: Wasser spaltet Esterbindungen
R–C(=O)–O–R′ + H₂O ⇌ R–COOH + HO–R′
Wasser wird an einer Esterbindung umgesetzt. Dabei entstehen eine Carboxylgruppe und eine Hydroxygruppe. Werden die Esterbindungen einer PET-Kette vollständig hydrolysiert, erhält man die Bausteine Terephthalsäure und Ethylenglycol.
[–O–CH₂–CH₂–O–C(=O)–C₆H₄–C(=O)–]ₙ + 2n H₂O
→ n HO–CH₂–CH₂–OH + n HOOC–C₆H₄–COOH
Idealisiert für Wiederholungseinheiten, Endgruppen vernachlässigt. Je nach Verfahren werden Temperatur, Druck und Katalysatoren eingesetzt. Bei alkalischer Spaltung entstehen zunächst Carboxylat-Salze statt freier Säure.
PE besitzt keine Estergruppen. Seine C–C-Kette lässt sich nicht auf dieselbe Weise mit Wasser hydrolysieren. Bei Pyrolyse entstehen meist Gemische kleinerer Kohlenwasserstoffe – nicht automatisch reines Ethen.
Recycling-Labor: Struktur und Verfahren verbinden
Wähle einen Kunststoff. Das Modell zeigt den chemischen Grund für die Eignung; es ersetzt keine Prüfung eines konkreten Abfallstroms.
Werkstofflich gut geeignet
Thermoplastische, nicht vernetzte C–C-Ketten lassen sich bei geeigneter Qualität neu formen. Sortierung und Reinigung bleiben notwendig.
Chemischer Blick
Ketten überwiegend erhalten
Stoffströme: Aus 100 kg Abfall werden nicht 100 kg Rezyklat
Beispiel: Von 100 kg gesammeltem Material gelangen 80 % in die passende Sortierfraktion. Bei der Aufbereitung werden davon 90 % als nutzbares Rezyklat gewonnen.
m(Rezyklat) = 100 kg · 0,80 · 0,90 = 72 kg
Die Gesamtausbeute beträgt 72 %. 20 kg fallen bei der Sortierung heraus, weitere 8 kg bei der Aufbereitung. Die ausgeschiedenen Mengen können andere Verwertungswege haben; sie sind nicht automatisch vollständig entsorgt.
72,0 kg Rezyklat · Gesamtausbeute 72,0 %
Modell zweier aufeinanderfolgender Massenausbeuten. Keine gesetzliche Recyclingquote und keine vollständige Umweltbilanz.
Biobasiert, abbaubar und recycelbar sind verschiedene Eigenschaften
Biobasiert · Herkunft
Der Kohlenstoff stammt ganz oder teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen. Bio-PE hat dieselbe Polymerstruktur wie fossiles PE und ist deshalb nicht automatisch biologisch abbaubar.
Biologisch abbaubar · Reaktion unter Bedingungen
Mikroorganismen können den Stoff unter geeigneten Bedingungen umsetzen. Temperatur, Feuchtigkeit, Zeit und Umgebung sind entscheidend; Abbaubarkeit ist keine Erlaubnis zum Wegwerfen.
Recycelbar · gesamtes System
Struktur, Zusatzstoffe, Produktaufbau, Sortierbarkeit und vorhandene Anlagen müssen zusammenpassen. Ein Recyclingzeichen garantiert keinen tatsächlich geschlossenen Kreislauf.
Bewerten · gleiche Funktion vergleichen
Vergleiche Materialbedarf, Nutzungsdauer, Wiederverwendung, Energie, Transport und Verluste. Die Bezeichnung „bio“ allein beweist keinen Umweltvorteil.
Acht Aufgaben: erst selbst lösen, dann vergleichen
1 · Was bleibt beim werkstofflichen Recycling überwiegend erhalten?
Tipp anzeigen
Unterscheide Kette und Gegenstandsform.
Lösung anzeigen
Die Polymerketten bleiben überwiegend erhalten. Der Gegenstand wird zerkleinert und neu geformt.
2 · Warum kann ein Duroplast nicht wie PE aufgeschmolzen werden?
Tipp anzeigen
Denke an kovalente Querbindungen.
Lösung anzeigen
Das vernetzte Netzwerk verhindert freies Gleiten der Ketten; starkes Erhitzen führt zur Zersetzung statt zu einer nutzbaren Schmelze.
3 · Welche funktionelle Gruppe macht PET hydrolysierbar?
Tipp anzeigen
Suche –C(=O)–O–.
Lösung anzeigen
Die Estergruppe. Hydrolyse spaltet sie unter Bildung von Carboxyl- und Hydroxygruppen.
4 · Welche Bausteine entstehen bei vollständiger PET-Hydrolyse?
Tipp anzeigen
Ein Diol und eine Dicarbonsäure.
Lösung anzeigen
Ethylenglycol HO–CH₂–CH₂–OH und Terephthalsäure HOOC–C₆H₄–COOH; in alkalischer Lösung zunächst das Carboxylat.
5 · Warum funktioniert dieselbe Esterhydrolyse bei PE nicht?
Tipp anzeigen
Vergleiche die Hauptketten.
Lösung anzeigen
PE besitzt eine C–C-Hauptkette und keine Esterbindungen.
6 · 200 kg Material, 75 % Sortier- und 80 % Aufbereitungsausbeute: Wie viel Rezyklat entsteht?
Tipp anzeigen
Multipliziere die Anteile nacheinander.
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200 · 0,75 · 0,80 = 120 kg; Gesamtausbeute 60 %.
7 · Ist Bio-PE automatisch biologisch abbaubar?
Tipp anzeigen
Herkunft und Struktur sind nicht dasselbe.
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Nein. Die erneuerbare Rohstoffquelle ändert die PE-Struktur und ihre geringe biologische Abbaubarkeit nicht.
8 · Warum ist Verbrennung kein stoffliches Recycling?
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Was geschieht mit dem Kohlenstoffgerüst?
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Das Polymer wird oxidiert, sein Kohlenstoff wird bei vollständiger Verbrennung zu CO₂. Energie kann genutzt werden, der Werkstoff bleibt nicht erhalten.
Kurzer Begriffscheck
Bei der PET-Hydrolyse werden …
Wähle eine Antwort.
Für den Unterricht: Verfahren chemisch begründen
Einstieg: PE- und PET-Strukturen vergleichen.
Partnerarbeit: Im Labor einen Verwertungsweg wählen und mit Kettenstruktur oder funktionellen Gruppen begründen.
Sicherung: Stoffstromrechnung lösen und eine Werbeaussage wie „biobasiert = abbaubar“ prüfen.
Kostenlose Materialien zum Weiterüben
Kunststoffrecycling bewerten – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)
Direkt passend: Verwertungswege, Stoffströme und Grenzen des Recyclings.
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Kunststoffarten und Eigenschaften – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)
Grundlagen: Kettenstruktur, Vernetzung und Verhalten beim Erwärmen.
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Kunststoffe intensiv II: Monomere & Polymere – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)
Vertiefung: Monomere, PET und Wiederholungseinheiten erkennen.
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Kunststoffe: Polymerisation & Polykondensation – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)
Ergänzung: Bildungsreaktionen der Polymere mit dem chemischen Abbau verbinden.
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