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Tenside - Referat
Tenside
Um Kleidung, Geschirr oder die Haut von Schmutz und Fetten zu reinigen, werden Tenside eingesetzt. Das älteste Tensid ist eins, das ihr alle kennt und zwar die Seife.
1. Seife - das älteste Tensid
Schon seit Jahrtausenden wird die Seife von Menschen benutzt. Erste Hinweise auf ihre Herstellung stammen aus der Zeit um 2500 v. Chr.. Die Sumerer erkannten damals, dass Pflanzenasche vermengt mit Ölen besondere Eigenschaften hat und schufen die Grundlage einer Seifenrezeptur. Hauptsächlich verwendeten sie die Seife als Heilmittel bei Verletzungen. Um die Reinigungswirkung von Wasser zu verbessern, benutzt man Seifen seit mehr als 1000 Jahren.
Seifen sind eine Mischung verschiedener, längerkettiger Alkalisalze der Fettsäuren und zählen zu den Tensiden. Sie selbst sind natürliche Tenside und da die negativ geladenen Fettsäureteilchen in wässriger Lösung frei vorliegen, werden Seifen auch als anionische Tenside bezeichnet.
Heutzutage werden Seifen aus tierischen oder pflanzlichen Fetten wie z.B. Rindertalg, Kokosöl oder Palmöl gewonnen. Die Herstellung erfolgt durch Verseifung (Hydrolyse von Estern, eingeleitet durch Alkalien oder Säuren) von Fetten. Dabei werden Fette zusammen mit einer Lauge erhitzt, wodurch Glycerin und die Alkalisalze der Fettsäuren entstehen. Diese Salze der Fettsäuren sind Seifen. Bei der Verseifung mit Natronlauge bilden sich feste Kernseifen und mit Kalilauge zähflüssige Schmierseifen. Geruchlose und reine Kernseifen werden zu Feinseife weiterverarbeitet. Diese enthält noch Farbstoffe, Parfümöle, rückfettende Substanzen wie Lanolin, das die durch die Seife angegriffenen Hautfette ersetzt und weitere Bestandteile.
Seifen verdanken ihre Eigenschaften der Struktur ihrer Seifen-Anionen.
Diese bestehen aus einem langkettigen unpolaren hydrophoben Alkyl-Rest und einer polaren hydrophilen Carboxylat-Gruppe.
Hydrophober Alkylrest und hydrophile Carboxylatgruppe
Seifen haben zwar den Vorteil, dass sie leichter biologisch abbaubar sind als synthetische Tenside, aber sie haben auch Nachteile, weshalb sie nur eingeschränkt verwendbar sind.
Wässrige Seifenlösungen reagieren alkalisch, da die Seifenanionen teilweise mit Wasser zu Hydroxid-Ionen und Fettsäure-Molekülen reagieren. Die gebildeten Hydroxid-Ionen greifen (durch Neutralisation) die Haut an und stören ihren pH-Wert, ebenso werden empfindliche Gewebe wie Wolle und Seide geschädigt.
Beispiel: C17H35COO - + H2O → C17H35COOH + OH -
In hartem Wasser reagieren die Seifen-Anionen außerdem mit den Ca 2+ -Ionen und den Mg2+ -Ionen zu schwerlöslichen Kalkseifen.
Zum einen geht so ein Teil der Seife für den Waschvorgang verloren und zum anderen lagert sich die Kalkseife auf der Wäsche ab und macht sie grau und hart.
Beispiel: 2 C17H35COO - + Ca 2+ → (C17H35COO)2 Ca
Aus diesen Gründen werden Seifen nicht mehr in Waschmitteln und kaum noch als Körperreinigungsmittel verwendet, sondern fast nur als Handseifen, in der kosmetischen Reinigung (Rasierschaum) und zur Reinigung von Böden oder anderen Flächen eingesetzt.
2. Eigenschaften der Tenside
Da Seifen nur bedingt geeignet sind, suchte man in den 1920er Jahren nach Tensiden mit besseren Eigenschaften, die aber eine ähnliche Struktur wie die Seifen-Anionen haben sollten, das heißt ebenfalls einen langkettigen, unpolaren Alkyl-Rest und eine polare Endgruppe.
Heutzutage sind Tenside in Waschmitteln, Spülmittel und Shampoos enthalten und haben das traditionelle Tensid Seife weitgehend verdrängt. Man unterscheidet natürliche Tenside und im Labor hergestellte, synthetische.
Allgemein sind Tenside grenzflächenaktive Substanzen, die die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit oder die Grenzflächenspannung zwischen Wasser und anderen Stoffen erniedrigen.
Die Oberflächenspannung ist ein Maß für die Kräfte, die an der Grenze zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas ins Innere der Flüssigkeit wirken. Aufgrund dieser Oberflächenspannung nehmen Flüssigkeiten immer eine möglichst kleine Oberfläche ein.
Dies lässt sich am Beispiel von Wasser gut erklären. Im Innern von Wasser bilden Wasser-Moleküle in alle Richtungen mit Nachbarmolekülen Wasserstoffbrücken aus. Da die Moleküle an der Oberfläche nach außen keine Nachbarn haben, wirken auf sie Anziehungskräfte, die sie in das Innere der Flüssigkeit ziehen. Dadurch entsteht eine Oberflächenspannung, die bewirkt, dass Wassertropfen kugelförmig sind, um ihre Oberfläche klein zu halten.
Löst man Tenside in Wasser, so wird die Oberflächenspannung des Wassers verringert.
Tenside bestehen allgemein aus einem hydrophoben/lipohilen unpolaren Kohlenwasserstoffrest und einem hydrophilen polaren Molekülteil. Das heißt sie sind amphiphil (sowohl in polaren als auch in unpolaren Lösungsmitteln löslich).
Gibt man sie in Wasser lagern sie sich bevorzugt an der Oberfläche an.
Tenside an der Wasseroberfläche
Die hydrophoben Reste ragen in die Luft und die hydrophilen Teile schieben sich zwischen die Wasser-Moleküle an der Wasseroberfläche.
Dadurch wird die Anziehungskraft zwischen den Wasser-Molekülen geschwächt und bewirkt zusammen mit der Abstoßung der polaren hydrophilen Gruppen eine niedrigere Oberflächenspannung.
Experiment, das Einfluss von Tensiden auf die Oberflächenspannung demonstriert: man bringt auf eine Wasseroberfläche einen leichten Gegenstand (Büroklammer/Stecknadel). Dieser wird im Normalfall nicht untergehen und von der Oberflächenspannung des Wassers getragen. Gibt man kleine Mengen eines Tensids (Spülmittel) hinzu, verringert sich die Oberflächenspannung und der Gegenstand geht unter.
Finden die Tensidmoleküle an der Wasseroberfläche keinen Platz mehr, lagern sie sich im Wasser zu Micellen zusammen. Dabei richten sie sich so aus, dass die hydrophoben Alkyl-Reste in das Innere der Micelle zeigen und die hydrophilen Enden in Richtung des Wassers. Zwischen den hydrophoben Resten wirken Van-der-Waals-Kräfte und die hydrophilen Ende gehen nach außen mit Wasser-Molekülen Wasserstoffbrückenbindungen ein.
Tensidmoleküle im Wasser in Form einer Kugelmicelle angeordnet.
Micellen können entweder Kugelmicellen oder Stabmicellen sein.
Zudem können sie nicht nur im Wasser entstehen sondern beispielsweise auch wenn man Tenside in Öl gibt. Allerdings sind hier die polaren lipophoben Gruppen im Innern der Micellen und die lipophilen Alkyl-Reste gehen nach außen mit Öl-Molekülen Van-der-Waals-Bindungen ein.
Außerdem bewirken Tenside, dass zwei eigentlich nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten, wie z.B. Öl und Wasser, vermischt werden können.
Schüttelt man etwas Öl mit Wasser in Gegenwart von Tensiden, so bildet sich eine trübe Emulsion. Unter einer Emulsion versteht man ein fein verteiltes Gemisch zweier gewöhnlich nicht mischbarer Flüssigkeiten. Tenside wirken hierbei als Emulgatoren, das heißt sie sorgen dafür, dass sich die Flüssigkeiten vermengen und halten die Emulsion stabil. Dabei lagern Micellen Öl ein und verteilen es in Form von Öltröpfchen im Wasser. So entsteht eine Öl-in-Wasser-Emulsion. (Die lipophilen Enden ragen in den Öltropfen und die hydrophilen Kopfgruppen sind dem Wasser zugewandt.)
Tensid-Öl-Tröpfchen in Wasser
Umgekehrt ist auch eine Wasser-in-Öl-Emulsion möglich, wenn man etwas Wasser in Öl gibt und Tenside vorhanden sind. In diesem Fall ist das Wasser in Form von Tröpfchen im Öl verteilt. Hier liegen die polaren Gruppen im Innern der Micellen, während die Alkyl-Reste mit Öl-Molekülen in Wechselwirkung treten.
Neben dem Emulgieren nicht miteinander mischbarer Flüssigkeiten, ermöglichen Tenside auch die Bildung von Dispersionen, also die feine Verteilung unlöslicher Feststoffe in einer Flüssigkeit.
Dabei lagern sich die Tenside ähnlich wie bei der Emulsion um die Feststoffe an und sorgen dafür, dass sie fein verteilt in der Flüssigkeit bleiben und nicht zusammenklumpen, absinken oder erneut irgendwo anhaften.
Tenside sind zudem Netzmittel, das heißt sie können das Benetzungsvermögen von Flüssigkeiten erhöhen. Unter Benetzung versteht man die Ausbreitfähigkeit von Flüssigkeiten auf festen Oberflächen. Die Benetzung ist umso besser, je geringer die Oberflächenspannung der Flüssigkeit ist.
Wasser perlt beispielsweise aufgrund seiner hohen Oberflächenspannung von Stoffen ab statt in den Stoff einzudringen. Eine Tensidlösung dagegen breitet sich auf der Faser stärker aus als ein Wassertropfen, weil die Tensidmoleküle durch ihre Amphilie (sowohl hydrophil als auch lipophil) den Kontakt zwischen Faser und Wasser herstellen und dadurch entstehen starke zwischenmolekulare Kräfte. Würde man also beim Waschen zum Wasser keine Tenside hinzugeben, kann die Wäsche nicht sauber werden, weil sie nicht vollständig benetzt wird.
Zusammenfassend lässt sich also über die Eigenschaften der Tenside sagen, dass sie grenzflächenaktiv sind, sie setzten die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit herab und wirken benetzend, emulgierend und dispergierend.
2.1 Waschwirkung
Unpolare Schmutzstoffe wie Fett können sich nicht von allein im polaren Wasser lösen. Tenside sind deshalb notwendig, damit wasserunlösliche Verschmutzungen beim Waschvorgang von den Textilfasern abgelöst werden.
Das Wasser allein kann die unpolaren Fasern nicht benetzen. Die Tenside sorgen dafür, dass die Oberflächenspannung des Wassers erniedrigt wird. Dann kann das Wasser nämlich das Gewebe benetzen und in die Fasern eindringen.
Tensidmoleküle lagern sich mit ihrem hydrophoben unpolaren Teil an die hydrophoben Fasern und die Schmutzteile an, die an der Faser haften und die hydrophilen Enden zeigen in Richtung umgebendes Wasser.
Die Schmutzhaftung an der Faser wird gelockert, indem sich weitere Tensidmoleküle zwischen Schmutz und Faser schieben. Gleich geladene polare Tensidteile stoßen sich ab, deshalb lockert sich der Schmutz noch mehr und wird zerteilt. Die mechanische Bewegung der Wäsche bei hoher Temperatur erleichtert auch die Ablösung des Schmutzes.
Schließlich trennen sich die Schmutzteilchen durch Abstoßung zwischen den polaren Kopfgruppen von der Faser. Dabei wird der Schmutz von den Tensidmolekülen umschlossen. Abgelöste Feststoffe oder Flüssigkeiten (z.B. Öl) werden in Micellen eingelagert und weiter in kleinere Partikel gespalten. Die Schmutzteilchen werden in der wässrigen Lösung gehalten und durch Abstoßung gleicher Ladungen dispergiert. Eine erneute Ablagerung des Schmutzes auf der Faser wird verhindert. Am Ende wird der Schmutz dann mit der Waschlauge weggespült.
⇒ Beim Waschvorgang wird die Faser benetzt, der Schmutz abgelöst, in Micellen eingelagert, zerteilt und abtransportiert.
3. Tensidgruppen
Man unterscheidet zwischen natürlichen und synthetischen Tensiden. Natürliche Tenside sind solche, die aus natürlichen Rohstoffen wie tierischen und pflanzlichen Fetten oder auch aus Zucker hergestellt werden. Beispielsweise Seife ist ein natürliches Tensid.
Synthetische Tenside werden aus Rohstoffen wie z.B. Erdöl/Sonnenblumenöl oder Benzol durch chemische Reaktionen hergestellt.
Heute setzt man zum Waschen fast nur noch synthetische Tenside ein. Denn diese reagieren in wässriger Lösung weder alkalisch noch bilden sie schwerlösliche Calciumsalze, besitzen somit nicht die Nachteile der Seifen. Bei den Tensiden unterscheidet man anionische, kationische, nichtionische und zwitterionische Tenside.
Alle Tenside bestehen aus einer unpolaren Alkylgruppe und einem polaren Teil (funktionelle Gruppe), der verschieden aufgebaut sein kann.
Tenside Polare Gruppe(n)
Anionische Tenside
-COO− (Carboxylat)
-SO3− (Sulfonat)
-OSO3− (Sulfat)
Kationische Tenside R4N+ (quartäre Ammonium-Gruppe) R=Rest
Nichtionische Tenside
-OH (Alkohol)
-O- (Ether) oder die Kombination –O–CH2–CH2–OH (z.B. Ethoxylate)
Amphotere Tenside
(Zwitterionische Tenside) meist -COO− (Carboxylat) und
R4N+ (quartäre Ammonium-Gruppe)
3.1 Anionische Tenside
Diese mengenmäßig wichtigste Tensidgruppe verfügt über eine elektrisch negativ geladene Kopfgruppe, daher auch der Name. Zu dieser Gruppe gehören die Fettalkoholsulfate und die Alkylbenzolsulfonate, die beide die hydrophile SO3− -Gruppe besitzen. Fettalkoholsulfate sind Natriumsalze der Ester aus Fettalkoholen und Schwefelsäure und Alkylbenzolsulfonate sind Natriumsalze der Alkylbenzolsäure. Anionische Tenside reagieren in wässriger Lösung neutral. Außerdem bilden sie keine schwerlöslichen Calciumsalze. Ausnahme dieser Gruppe ist Seife (bildet schwerlösliche Kalkseife und reagiert alkalisch in wässriger Lösung).
Man findet sie in Vollwaschmitteln.
3.2 Kationische Tenside
Quartäre Ammoniumsalze, sogenannte quartäre Alkylammonium-Verbindungen gehören zu den Vertretern der kationischen Tenside. Dabei ist das positiv geladene Stickstoffatom mit 4 unpolaren Alkyl-Resten verbunden. Neben diesen gibt es aber auch noch die Esterquats, die an Stelle eines langkettigen Alkyl-Restes Ester-Gruppen besitzen.
Alkylammonium-Verbindungen sind schwer abbaubar, Esterquats dagegen sind leicht biologisch abbaubar.
Kationische Tenside können sich an negativ geladene Oberflächen, wie Textilfasern anlagern. Zudem zeigen sie eine geringe Waschkraft. Sie werden in Weichspülern eingesetzt, weil sie sich mit übrig gebliebenen Tensid-Anionen verbinden, die sonst die trockene Wäsche rau machen würden.
3.3 Nichtionische Tenside
Tenside dieser Gruppe besitzen keine elektrische Ladung, zerfallen also nicht in Ionen und sind polar. Die Alkylpolyglykoside dieser Gruppe gewinnen immer mehr an Bedeutung und werden aus nachwachsenden Rohstoffen (Kokosöl, Maisstärke) hergestellt. Sie haben einen langkettigen Alkyl-Rest, der an einen Glucose-Rest oder einen Diglucose-Rest gebunden ist und besitzen polare Hydroxyl-Gruppen.
Die Fettalkoholethoxylate enthalten unpolare Alkyl-Reste, die an einen polaren Polyether-Rest gebunden sind.
Nichtionische Tenside gehen keine Reaktion mit Calcium- und Magnesium-Ionen ein und reagieren in wässriger Lösung neutral. Sie sind gut biologisch abbaubar und zeigen schon eine gute Waschwirkung bei niedrigen Temperaturen. Verwendet werden sie in Waschmitteln, Spülmitteln und Neutralreinigern.
3.4 Zwitterionische Tenside
Betaine sind amphotere Tenside und enthalten in ihrem Molekül eine kationische und eine anionische Gruppe. COO− ist ihre anionische Gruppe und die quartäre Ammonium-Gruppe die kationische. Die Tenside gehen keine Reaktion mit Calcium-und Magnesium-Ionen ein und reagieren in wässriger Lösung neutral. Darüber hinaus sind sie hautfreundlich und schleimhautverträglich und kommen daher beispielsweise in Haarshampoos oder anderen kosmetischen Produkten zum Einsatz.
4. Anwendungsbereiche
-Tenside in Wasch- und Reinigungsmittel:
Ein Großteil der Tenside (50%) wird zum Waschen und Reinigen benutzt, um Fett- und Schmutzpartikel, die an der Wäsche oder am Körper haften, zu entfernen. Man findet sie in Wasch- und Spülmitteln, Shampoos, Duschgel und Schaumbädern.
-Tenside als Emulgatoren:
Durch ihre Grenzflächenaktivität werden Tenside als Emulgatoren in verschiedensten Bereichen eingesetzt. In der Lebensmittelindustrie wirken sie z.B. in Mayonnaise, Soßen, Cremes, Schokolade und Margarine, um deren Konsistenz zu stabilisieren. In der Margarine und Mayonnaise verhindern sie beispielsweise die Entmischung von Fett und Wasser und in Schokolade werden sie eingesetzt um das Fett in der Schokoladenmasse besser zu verteilen.
Auch in kosmetischen Pflegemitteln wie Cremes oder Lotionen sind sie eine wichtige Komponente als Emulgatoren, mit deren Hilfe die Wirkstoffe besser in der Flüssigkeit verteilt werden.
-Tenside als Netz- und Dispergiermittel:
Tenside sorgen in Farben für die feine Verteilung von Farbpartikeln. Außerdem wird die Benetzung von Metalloberflächen durch sie begünstigt und so werden gleichmäßige Farb- und Lackfilme ermöglicht. Auch in der Leder- und Papierindustrie werden sie als Netzmittel eingesetzt. In Schädlingsbekämpfungsmitteln verbessern Tenside die Benetzung der Blätteroberflächen und bewirken eine bessere Haftung der Wirkstoffe auf den Pflanzen.
-Tenside in der Brandbekämpfung:
Ebenso bei der Brandbekämpfung kommen Tenside zur Anwendung. Das „Löschen mit entspanntem Wasser“, d.h. Wasser mit einer stark verminderten Oberflächenspannung ist eine besondere Methode zur Brandbekämpfung. Durch den Zusatz von Tensiden kann das Löschwasser besser in brennende Materialien wie Holz oder Stoff eindringen. Außerdem hat das Wasser wegen der erniedrigten Oberflächenspannung ein besseres Fließverhalten. Das hat zur Folge, dass das Löschwasser bei gleicher Pumpleistung über eine größere Distanz gespritzt werden kann.
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