Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 17.01.17


Kolloidstabilität auf Grund elektrostatischer Wechselwirkungen

Vortrag von Marlene Schuberth im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", WS 2009/2010


Gliederung:


Einführung 1: Bis die Milch im Supermarkt im Regal steht, macht sie eine weite Reise. Mit einer Melkmaschine wird sie beim Bauern von der Kuh gemolken. Ein Milchlaster bringt sie anschließend zur Käserei. Dort wird sie im Separator in Rahm und Magermilch getrennt. Je nach gewünschtem Fettgehalt werden die Bestandteile im jeweiligen Verhältnis wieder zusammengegeben. Dann wird pasteurisiert, um Mikroorganismen abzutöten. Der abschließende Schritt ist die Homogenisierung.

Vergleicht man die Milch aus dem Supermarkt mit der Milch direkt vom Bauernhof, so fällt auf, dass sich bei der Supermarktmilch keine Rahmschicht absetzt. Um dies zu verstehen, wird das System "Milch" genauer betrachtet.

Milch ist ein kolloidales System. Kolloide sind Teilchen zwischen 1 und 100 nm, die fein in einem Medium verteilt sind. Hier handelt es sich um Fetttröpfchen (Rahm) im wässrigem Medium.

Beim Homogenisieren wird die Milch durch feine Düsen gepresst, wodurch die größeren Rahmtröpfen in feinere zerstäubt werden. Vorher haben die Lipidtröpfchen eine Größe von 1-5 µm, danach sind sie kleiner als 1 µm.

 
Abb. 1: Schema der Homogenisierung von Milch [1]

Dieser Prozess trägt entscheidend dazu bei, dass das kolloidale System "Supermarktmilch" stabil bleibt und sich nicht wie frische Kuhmilch auftrennt. Dies soll im Nachfolgenden erklärt werden.

Einführung 2: Jeder hat schon einmal eine Wand gestrichen und möchte einen möglichst gleichmäßigen Anstrich als Resultat haben. Wie bei der Milch findet ein Art der Homogenisierung auch bei Wandfarben statt. Die Farbteilchen werden mit Hilfe mechanischer Zerteilung zerkleinert und gleichmäßig in der Lösung verteilt. Bei weißer Wandfarbe sind die farbgebenden Farbpartikel Titandioxid-Kolloide, die mit Additiven benetzt werden um eine stabile Dispersion herzustellen. Welche Kräfte in einem kolloidalen System wechselwirken und es stabil machen, wird nachstehend erklärt.


1 Wechselwirkungen zwischen Kolloiden

1.1 Potential ψ

Das Potential beschreibt die Arbeit, die verrichtet werden muss, um zwei kolloidale Teilchen einander näher zu bringen.

1.2 Anziehende Kräfte

 Es handelt  sich um van-der-Waals Kräfte, die über weite Strecken zwischen den Teilchen wirken.

Abb. 2: Anziehendes Potential

Die Grafik beschreibt das Potential der anziehenden Kräfte in Abhängigkeit des Abstands D vom Partikel. Bei 0 befindet sich also Partikel A, im Abstand D zu ihm ein zweiter Partikel B. B wird von A angezogen, je näher er A kommt, desto stärker wirken die anziehenden Kräfte.

Das Potential ist in diesem Fall negativ, d.h. es muss keine zusätzliche Energie aufgewandt werden, um die Arbeit zu verrichten.

Mathematisch wird es beschrieben durch:

1.3 Abstoßende Kräfte

Wie bei Magneten etc. deutlich zu sehen ist, stoßen sich zwei gleich gesinnte Ladungen ab, je näher sie sich kommen. Dies ist auch bei Kolloiden der Fall. 


Abb. 3: Abstoßendes Potential

Die Grafik beschreibt das Potential der abstoßenden Kräfte in Abhängigkeit des Abstands D vom Partikel. Je geringer der Abstand wird, desto positiver wird das Potential, desto mehr Arbeit muss verrichtet werden, um die Partikel einander näher zu bringen.

Das Potential ist positiv, d.h. es muss Energie zugeführt werden, dass sich die Teilchen annähern. Mathematisch wird es beschrieben durch:

wobei D den Abstand vom Partikel und k-1 die Dicke der Doppelschicht bedeutet (dies wird unter 2 näher erläutert).

1.4 Milch

Nach außen handelt es sich bei Milch um ein neutrales System. Betrachtet man die Emulsion genauer, sind die Rahm bzw. Lipidtröpfchen der Milch auf ihrer Oberfläche geladen. Die Gegenladungen befinden sich im Medium. Hieraus ergibt sich die so genannte elektrische Doppelschicht an den Grenzflächen der Kolloide.

 
Abb. 4: Ladungsverteilung am Lipidtropfen in der Milch

1.5 Dispersionsfarbe

Bei Dispersionsfarben wird durch die werden die zerkleinerten Titandioxidteilchen mit Additiven benetzt, die eine elektrochemischen Doppelschicht bilden. Neben der Benetzung werden auch noch andere Additive als Stabilisatoren in das Gemisch gegeben um ein Absetzen zu vermeiden und eine möglichst gleichmäßige Verteilung dauerhaft zu gewährleisten.


2 Elektrische Doppelschicht

Um sich ein Bild über die Ladungsverteilung an der Grenzfläche machen zu können, gibt es Modelle für diesen Bereich. Die elektrische Doppelschicht nach Helmholtz besteht aus Gegenladungen die starr am kolloidalen Partikel angelagert sind. Das Modell nach Gouy-Chapman besagt, dass die Gegenladungen frei beweglich um den Partikel sind. Je weiter der Abstand vom Partikel, desto weniger Ladungen sind zu finden. In den nachfolgenden Grafiken ist die Oberfläche des kolloidalen Teilchens durch negative Ladungen links der y-Achse dargestellt. Die positiven Ladungen rechts der y-Achse sind die Gegenladungen im Medium. Unterhalb ist jeweils das abstoßende Potential in Abhängigkeit der Entfernung vom Partikel dargestellt.

 
Abb. 5: Modelle der elektrischen Doppelschicht nach Helmholtz (l) und Gouy-Chapman (r)

Letztendlich wurden beide Modelle nach Stern miteinander vereint: Um den geladenen Partikel lagern sich die entsprechenden Gegenladungen an. Die Schicht an der Oberfläche bezeichnet man als Helmholtzschicht, die weiter entfernten Ladungen als diffuse Doppelschicht. Diese Schicht schirmt die einzelnen Partikel gegeneinander ab. Mit zunehmendem Abstand verringert sich das abstoßende Potential.


Abb. 6: Modell der elektrischen Doppelschicht nach Stern

Die Abstoßung zweier Partikel wird in der nächsten Grafik noch einmal deutlich.


Abb. 7: Abstoßung zweier Partikel

Der schwarze Partikel links ist durch die Gegenladungen seiner elektrischen Doppelschicht abgeschirmt. Das gleiche gilt für den roten Partikel auf der rechten Seite. Die beiden Doppelschichten isolieren durch die Abstoßung gleich gesinnter Ladungen die kolloidalen Teilchen. Dieses Modell ist auch auf das kolloidale System "Supermarktmilch" anzuwenden.


3 DLVO Theorie

Diese Theorie ist nach ihren Begründern Derjaguin, Landau, Verwey und Overbeek (1940) benannt. Sie vereint abstoßendes und anziehendes Potential zum Gesamtpotential und erlaubt Aussagen über die Stabilität von Systemen.

Die Potentialkurve für das DLVO Potential gestaltet sich folgendermaßen:


Abb. 8: DLVO Potentialkurve

Die blaue Kurve beschreibt allein das anziehende Potential, die rote Kurve das abstoßende Potential. Der grüne Graph beschreibt das Gesamtpotential des Partikels B, der sich im Abstand D zum Partikel A befindet. Bei 1 befindet sich Partikel B in einem Bereich weiter Anziehungskräfte. Bei 2 wird ein sekundäres Minimum erreicht und es erfolgt lockere Aggregation, die reversibel ist. Bei 3 wird ein Potentialberg erreicht, der nur durch Zufuhr kinetischer Energie überwunden werden kann. Bei 4 befindet sich ein primäres Minimum und es kommt zur Koagulation (Verklumpung), welche irreversibel ist. Weitere Annäherung ist aufgrund von sich abstoßenden Elektronenradien nicht möglich.

Dieses Wissen kann man sich in vielen Bereichen zunutze machen: Zur Herstellung von Dispersionsfarben mit bestimmten Eigenschaften, Anwendung kolloidaler Phänomene in der Waschmittelerzeugung, zum Zerstören von unerwünschten kolloidalen Dispersionen in der Abwasserreinigung etc.


4 Stabilität von Systemen

Betrachtet man den mathematischen Ausdruck für das Potential fällt auf, dass die einzige Größe, die sich von außen beeinflussen lässt, die Dicke der elektrischen Doppelschicht ist (k-1). Die Einflussnahme erfolgt über die Zugabe von Elektrolyten.

Experiment Auftrennen der Phasen von Milch
Material
  • Filterpapier
  • Spatel
  • Bechergläser
  • Zitronensaft
Chemikalien Unbehandelte Milch und Supermarktmilch ca. je einen Liter, Zitronensaft, NaCl
Vorbereitung Beide Milchsorten werden mit Zitronensaft versetzt, so dass das Milchprotein ausflockt. Dieses kann nun über Filtration entfernt werden.

Dieser Schritt ist wichtig, da der gewünschte Effekt des Versuchs vor allem mit proteinfreier Milch zu sehen ist.

Durchführung Es werden vier verschiedene Ansätze miteinander verglichen:
  • 1 und 3 proteinfreie unbehandelte Milch
  • 2 und 4 proteinfreie Supermarktmilch

Die Ansätze 1 und 2 werden als Vergleich stehen gelassen. Zu 3 und 4 werden 5 Spatelspitzen NaCl gegeben und gut vermischt. Das Ganze wird etwas stehen gelassen und nach ca. 2 Minuten wird das Ergebnis betrachtet.

Beobachtung Bei den Ansätzen 2 und 4 ist nichts zu beobachten. Ansatz 1 zeigt eine dünne weiße Schicht, die sich nach oben abgetrennt hat. Bei Ansatz 3 ist diese Schicht auffallend dicker.
Interpretation Koagulation findet eigentlich immer statt. Durch das Homogenisieren allerdings sind die Lipidtröpfchen in der Supermarktmilch so klein geworden, dass die Geschwindigkeit der Koagulation so gering ist, dass die Milch eher verderben würde, als dass sich die Rahmschicht absetzt.
Bei der unbehandelten Milch sind die Tröpfchen größer und die Rahmschicht kann sich nach oben abtrennt. Durch die Zugabe von Salz wird die Dicke der elektrischen Doppelschicht verringert. Dadurch wird die Koagulation erleichtert. Das heißt: Je dicker die Doppelschicht, desto langsamer die Koagulation.
Erweiterung Der Versuch würde auch mit anderen Salzen funktionieren. Mit der Wertigkeit der Ionen nimmt die benötigte Menge stark ab. Dies besagt die Schulze- Hardy Regel, die die kritische Koagulationskonzentration in einen Zusammenhang mit der Ladungsdichte bringt (ccc = 1/z6).

Zusammenfassung: Es gibt anziehende und abstoßende Wechselwirkungen zwischen kolloidalen Partikeln. Diese sind von einer elektrischen Doppelschicht umgeben, deren Dicke für die Geschwindigkeit der Verklumpung verantwortlich ist. Die Schichtdicke ist eine beeinflussbare Größe und kann durch Zugabe von Elektrolyten verkleinert werden. Je dicker die Schicht, desto langsamer die Verklumpung. Die DLVO Theorie gibt Auskunft über das Gesamtpotential des Systems, dass sich aus abstoßendem und anziehendem Potential zusammensetzt.

Abschluss 1: Durch Homogenisierung der Milch werden die Lipidteilchen der Milch zerkleinert und gleichmäßig in der Lösung verteilt. Die Stabilität des Systems und ein Erhalt der Gleichmäßigen Verteilung kann durch die DLVO-Theorie erklärt werden. In der DLVO- Theorie wird klar, dass die anziehenden Kräfte (Van der Waals Kräfte) durch die abstoßendenden Kräfte der elektrischen Doppelschicht ausgeglichen werden. Durch die Wechselwirkung der Kräfte kann ein Abstand zwischen den Lipidtröpfchen eingestellt werden und eine Ausflockung oder Rahmschichtbildung vermieden werden. Damit lässt sich auch erklären, weshalb sich die Frischmilch vom Bauern, von der Supermarktmilch unterscheidet.

Abschluss 2: Die DLVO-Theorie wird sich bei der Herstellung von Dispersionsfarben zu Nutzen gemacht. Die anziehenden Kräfte zwischen Titandioxid-Kolloiden, in Form von Van der Waals Kräfte, werden durch Additive ausgeglichen. Die Additive bilden um die Kolloide eine elektrochemische Doppelschicht, die zur Abstoßung der Kolloide führt und ein Verklumpen der Farbteilchen verhindert. Außerdem wird die Dispersion so eingestellt, dass sich kein Absatz der Teilchen bildet und die Titandioxid Kolloide in der gesamten Lösung gleichmäßig verteilen. Durch die regelmäßige Verteilung der Kolloide in der Dispersion kann auch ein perfekter Anstrich der Wand ermöglicht werden.


Literatur

  1. http://www.frischli.de/web/ueberuns/herst_bildpopup.htm?nomenu=1&bild=homogenisierung (online 10.03.2010)
  2. Everett, D.(1992): Grundzüge der Kolloidwissenschaft, Steinkopff Verlag, Darmstadt.
  3. Atkins, P. (2008): Kurzlehrbuch der physikalischen Chemie, 4. Aufl., Wiley VCH, Weinheim.
  4. Evans, D., Wennerström H. (1999): The Colloidal Domain, Wiley VCH, Weinheim.
  5. Dörfler, H.-D. (1994): Grenzflächen und Kolloidchemie, Wiley VCH, Weinheim.
  6. Atkins Peter William, Paula Julio: Physikalische Chemie, Fünfte Auflage, Weinheim, WILEY-VCH Verlag 2013.
  7. Kittel Hans: Lehrbuch Lacke und Beschichtungen Band 5: Pigmente Füllstoffe und Farbstoffe, Stuttgart, S. Hirzel Verlag 2003.
  8. Kittel Hans: Lehrbuch Lacke und Beschichtungen Band 3: Bindemittel für wasserverdünnbare Systeme, Stuttgart, S. Hirzel Verlag 2003.
  9. http://www.alpina-farben.de/uploads/tx_enetalpina/TI_2017_Alpinaweiss_SGL.pdf 16.12.2015.
  10. http://www.pci.tu-bs.de/aggericke/PC5-Grenzf/Einfuehrung.pdf 16.12.2015.
  11. https://www.tu-chemnitz.de/physik/OSMP/Soft/ws0506_V14.pdf 16.12.2015
  12. http://www.chids.de/dachs/expvortr/562.pdf 16.12.2015.

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 17.01.17