Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 31.03.14


Funktionsweise von Tensiden

Vortrag von Karin Broll im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", WS 2006/2007, überarbeitet von Johannes Schott WS 2013/14


Gliederung:

1. Klassifizierung der Tenside
      1.1 Ionische Tenside
            1.1.1 Anionische Tenside
            1.1.2 Kationische Tenside  
      1.2 Amphotere Tenside
      1.3 Nichtionische Tenside

2. Das Lösungsverhalten der Tenside in Wasser

3. Wirkung von Tensiden auf die Oberflächenspannung von Wasser

4. Mizellen
      4.1 Die kritische Mizellbildungskonzentration
      4.2 Bedingungen an die Mizellenstruktur
      4.3 Bestimmung der Mizellengestalt


Bei dem Begriff Tensid denkt man sofort an Waschmittel. Doch sie finden nicht nur Verwendung in der Waschmittelindustrie, sondern auch in vielen anderen Bereichen, wie zum Beispiel in der Kosmetikindustrie.


Abb. 1: Handcreme [6]

So enthalten Hautcremes ebenfalls Tenside. Man cremt sich die Haut damit ein, um das durch das Waschen verloren gegangene Fett zu ersetzen. Die Konsistenz dieses Hautpflegemittels ist flüssig. Wäre eine Hautcreme eine reine Fettcreme, so wäre diese extrem zähflüssig und würde nicht sonderlich schnell in die Haut einziehen. Deshalb besteht dieses Pflegemittel für die Haut aus Fett und Wasser. Doch wie ist es überhaupt möglich, dass eine Creme als Emulsion und nicht in zwei getrennten Phasen vorliegt? Denn aus dem Alltag ist nur allzu gut bekannt, dass sich Fett nicht mit Wasser löst, sondern auf dem Wasser schwimmt. Diese zwei Flüssigkeiten lassen sich nicht miteinander vermischen und liegen deshalb in zwei getrennten Phasen vor. Eine Eigenschaft von Tensiden ist es zwei nicht miteinander mischbare Phasen miteinander zu verbinden. Deshalb enthalten Cremes Tenside, die diese Emulsion aus Wasser und Fett ermöglichen. Um dies nachvollziehen zu können, wird im Folgenden die Funktionsweise von Tensiden genauer erklärt.


1 Klassifizierung der Tenside

Tenside sind niedermolekulare Verbindungen, deren Moleküle einen hydrophilen (polaren) und einen hydrophoben (unpolaren) Teil enthalten.


Abb. 2: Übersicht über die Tensidklassen [nach 4]

1.1 Ionische Tenside

1.1.1 Anionische Tenside

Das Tensidion trägt die negative Ladung. Die negative Ladung ist ein Salz der Carbon- oder Sulfonsäuren. Das Gegenion ist ein Kation. Beispiel: Natriumalkylbenzolsulfonat.

1.1.2 Kationische Tenside

Das sind meistens quartäre Ammonium-Verbindungen. Das Tensidion trägt die positive Ladung und das Gegenion ist ein Anion und meist ein Halogenidion. Beispiel: Cetyltrimethylammoniumchlorid.

1.2 Amphotere Tenside

Diese Tenside haben eine positiv und negativ geladene funktionelle Gruppe. Diese sind meist Carboxylationen und quarternäre Ammonium-Einheiten. Beispiel: Dodecylbetain.

1.3 Nichtionische Tenside

Die hydrophile Gruppe trägt keine Ladung und ist nicht in der Lage, in Ionen zu dissoziieren. Die hydrophile Gruppe kann aus Alkoholen und Ethern bestehen. Beispiel: Polyglykolether.


2 Das Lösungsverhalten der Tenside in Wasser

Die Löslichkeit ist möglich, wenn die Lösung der hydrophilen Gruppen einen Energiegewinn mit sich bringt und dieser größer ist als der Energieaufwand, der benötigt wird, um den hydrophoben Rest in die polare Umgebung zu zwingen. Dieser nimmt mit steigender Kettenlänge zu. Ist das Tensid lösbar, so enthält das System dennoch eine energiereiche Grenzfläche zwischen den Wassermolekülen und den hydrophoben Resten, die es bei gleichzeitigem maximalen Kontakt zwischen den Wassermolekülen und den hydrophilen Gruppen so weit wie möglich abzubauen versucht. Dies kann auf zwei Wegen geschehen:

  1. Weg: Adsorption der Tensidmoleküle an der Phasengrenze. Die hydrophilen Gruppen bleiben in Kontakt mit dem Wasser und die hydrophoben Reste ragen in die umgebende Phase hinein, damit sie nicht mehr von Wasser umgeben sind. Der Adsorptionsfilm ist nur eine Molekülschicht stark.
  2. Weg: Aggregation der Tensidmoleküle zu Mizellen. Die hydrophoben Gruppen sitzen im Inneren der Aggregate und füllen diese lückenlos aus. Die Oberfläche der Aggregate ist durch die hydrophilen Gruppen bedeckt. Diese schirmen die hydrophoben Reste so weit wie möglich vom Kontakt mit den Wassermolekülen ab, bleiben aber selber in Kontakt mit diesen und halten die Aggregate dadurch in Lösung.

3 Wirkung von Tensiden auf die Oberflächenspannung von Wasser

Im Flüssigkeitsinneren sind alle Moleküle gleichmäßig von Nachbarmolekülen umgeben. Damit sind diese Moleküle in allen Raumrichtungen gleichen Wechselwirkungen anziehender und abstoßender Art ausgesetzt, die sich gegenseitig ausgleichen (A). Wassermoleküle an der Oberfläche sind nur noch in der Grenzfläche und zum Flüssigkeitsinnern hin von anderen Wassermolekülen umgeben. Somit heben sich nicht mehr alle Kräfte gegenseitig auf und es verbleibt eine resultierende Kraft F1, die ins Flüssigkeitsinnere zeigt und versucht die Flüssigkeitsoberfläche zu verkleinern (B). Nach der Zugabe von Tensiden reichern sich die Moleküle aufgrund ihres amphiphilen Baus sofort an der Wasseroberfläche an. Da die Wechselwirkungskräfte Tensid-Wasser geringer sind als die zwischen Wassermolekülen, wird die resultierende Kraft F2, die ins Flüssigkeitsinnere zeigt, geringer. Dadurch kommt es zu einer Verringerung der Oberflächenspannung des Wassers (C).


Abb. 3: Einfluss eines Tensids auf die Oberflächenspannung des Wassers [nach 4]

Versuch 1: Senkung der Oberflächenspannung durch Spülmittel

Material: Petrischale, Büroklammer, Pinzette
Chemikalien: Wasser, Spülmittel
Durchführung: In die Petrischale wird Wasser gegeben. Auf die Wasseroberfläche wird vorsichtig mit der Pinzette eine Büroklammer gelegt. Anschließen werden ein paar Tropfen Spülmittel hinzugegeben. Dabei darauf achten, dass ein Spülmitteltropfen nicht die Büroklammer trifft.
Beobachtung: Zunächst schwimmt die Büroklammer auf der Wasseroberfläche und nach Zugabe des Spülmittels sinkt die Büroklammer an den Grund der Petrischale
Deutung: Die Büroklammer wird von dem Wasser getragen, aufgrund dessen Oberflächenspannung. Das Spülmittel enthält Tenside, durch die die Oberflächenspannung des Wassers gesenkt wird. Die Büroklammer wird nicht mehr vom Wasser getragen und sinkt zu Boden.

4 Mizellen

4.1 Die kritische Mizellbildungskonzentration

Ist die Wasseroberfläche infolge zunehmender Tensidkonzentration vollständig mit Tensidmolekülen bedeckt, kommt es ab einer für das Tensid charakteristischen Konzentration zur Aggregation der Tensidmoleküle zu Mizellen, da die Wasseroberfläche vollständig mit Tensidmolekülen bedeckt sind. Diese Konzentration wird kritische Mizellbildungskonzentration (cmc) genannt. Ab dieser Konzentration nimmt die Oberflächenspannung (gamma) des Wassers nicht mehr ab. Der Zahlenwert der cmc hängt für jedes Tensid von seiner Konstitution, sowie von verschiedenen äußeren Parametern, wie der Temperatur oder Ionenstärke, ab. Die Aggregation ist reversibel, d.h. beim Verdünnen dieser Lösung unter die charakteristische Konzentration zerfallen die Mizellen wieder in monomere Tensidmoleküle.


Abb. 4: Kritische Mizellbildungskonzentration cmc [7]

4.2 Bedingungen an die Mizellenstruktur

  • Die Alkylketten müssen den Mizellkern vollständig ohne Hohlräume ausfüllen.
  • Es dürfen keine konformativen Spannungen in den Alkylketten entstehen.
  • Die Mizellen-Oberflächen sollen vollständig mit hydrophilen Gruppen bedeckt sein.
  • Der Abstand zwischen den hydrophilen Gruppen soll infolge der gegenseitigen elektrostatischen und sterischen Abstoßung groß sein.
  • Es dürfen keine hydrophilen Gruppen in das Mizellinnere eindringen.

4.3 Bestimmung der Mizellengestalt

Mizellen sind immer gleich strukturiert. Allerdings können sie unterschiedlich aussehen. Die Mizellen-Gestalt lässt sich aus der Tensid-Konstitution und äußeren Parametern ableiten. Dazu wird der Packungsparameter P eingeführt:

V0 = Volumen der hydrophoben Gruppe
ae = Platzbedarf der hydrophilen Kopfgruppe
l0 = Platzbedarf der hydrophoben Gruppe

Abb. 5: Formel für den Packungsparameter P [7]

4.3.1 Kugelmizellen

  • P < 1/3
  • Bei Erreichen der cmc werden Kugelmizellen gebildet, vorwiegend bei ionischen Tensiden, die eine nicht sehr voluminöse hydrophobe Gruppe besitzen.
  • Bei einer Erhöhung der Tensidkonzentration bleibt die Größe der Mizellen und ihre Aggregationszahl konstant, nur ihre Zahl nimmt zu.


Abb. 6: Kugelmizelle [nach 4]

4.3.2 Stäbchenmizellen

  • 1/3 < P < 1/2
  • Bildung von Stäbchenmizellen an der cmc.
  • Die Zahl und der Querschnitt der Mizellen ist mit steigender Konzentration konstant, die Länge und die Aggregationszahl nehmen zu.
  • Bildung von Stäbchenmizellen aus Kugelmizellen bei Erhöhung der Tensid- konzentration: Bei Kugelmizellen ist die Mizelloberfläche im Allgemeinen nicht lückenlos von hydrophilen Gruppen bedeckt. Es gibt somit noch eine Fläche an der Wasser an die hydrophoben Gruppen grenzt. Das System versucht diese Fläche abzubauen, indem die hydrophilen Kopfgruppen näher aneinanderrücken. Dabei kann aber die Krümmung der Mizelloberfläche nicht mehr aufrechterhalten werden und das Aggregat beginnt in einer Dimension zu wachsen und eine Stäbchenmizelle zu bilden.


Abb. 7: Stäbchenmizelle [nach 4]

4.3.3 Scheibchenmizelle, Lamellen und Vesikel

  • 1/2 < P < 1
  • Bildung von Scheibchen an der cmc, vorwiegend bei Tensiden mit kleinen hydrophilen Kopfgruppen und voluminösen hydrophoben Alkylketten.
  • Bildung von Scheibchen, bzw. Lamellen aus Stäbchenmizellen bei Erhöhung der Tensidkonzentration: Die hydrophilen Kopfgruppen sind noch nicht in der dichtesten Packung gepackt. Das System hat das Bestreben diese noch dichter zu packen und es kommt zu einem zweidimensionalen Wachsen der Stäbchenmizelle zu Scheibchen, bzw. Lamellen.
  • Je nach Versuchsbedingungen können auch Vesikel entstehen, bei denen die Doppelschicht einen wassergefüllten Raum umschließt.


Abb. 8: Lamelle [nach 4]

Versuch: Der Packungsparameter eines Tensids bestimmt die Mizellengestalt

Material: 2 Bechergläser, Magnetrührer, Magnetrührstäbchen, Glasstab
Chemikalien: Wasser, Natriumlaurylsulfat (SDS), Hexanol
Durchführung: In ein Becherglas werden 18g SDS gegeben. Dazu werden 24mL Wasser hinzugegeben und auf einen Magnetrührer gestellt und durch Zugabe eines Magnetrührstabs gut durchmischt, bis die Lösung dickflüssig wird. Dies dauert circa 15 Minuten. Dann werden 5mL Hexanol hinzugegeben und mit dem Glasstab vermischt.
Beobachtung: SDS mit Wasser ergibt eine dünnflüssige Lösung. Nach der Zugabe von Hexanol wird die Lösung dickflüssig.
Deutung: SDS ist ein anionisches Tenid mit einem Packungsparameter der kleiner als ein Drittel ist. Somit bildet das Tensid beim Erreichen der cmc Kugelmizellen aus. Diese Kugelmizellen behindern sich nicht gegenseitig in ihrer Bewegung, sodass die Lösung dünnflüssig ist. Durch die Zugabe von Hexanol wird der Packungsparameter von SDS größer, da sich die Hexanolmoleküle zwischen die einzelnen Tensidmoleküle der Kugelmizellen einlagern. Aufgrund der Wechselwirkungen zwischen den Kohlenwasserstoffketten des Tensids und des Alkohols wird das Volumen der hydrophoben Gruppe des Tensids größer und somit auch der Packungsparameter. Aus den Kugelmizellen bilden sich lamellenartige Mizellen. Zwischen ihnen entstehen starke Anziehungskräfte, sodass die Lösung dickflüssig wird.

Literatur:
  1. Kosswig K.; Stache H.: Die Tenside. Carl Hanser Verlag, München, 1993
  2. Dörfler H.-D.: Grenzflächen- und Kolloidchemie, VCH, Weinheim,1994
  3. Stache H.: Tensidtaschenbuch, Carl Hanser Verlag, München,1981, 2. überarbeitete und erweiterte Auflage.
  4. VCI: Folienserie des Fonds der Chemischen Industrie Nr. 14, Frankfurt, 1987.
  5. www.dispatch.opac.d-nb.de, Stichwörter: Tenside, Mizellen 30.11.2007 (31.03.14 Quelle verschwunden)
  6. http://static.cover-mag.de/sites/default/files/styles/cover_article_gallery/
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    23.03.2014
  7. http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/mizellen/mizellen.html 11.03.2014

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