Startseite  >>  Lexika  >>  Seifen und Waschmittel

Das Phänomen der Grenzflächenspannung
und die Eigenschaften von Tensiden
Füllt man ein Sektglas randvoll mit Wasser, lässt sich noch mehr Wasser in das Glas füllen, als der eigentliche Volumeninhalt zulassen würde. Die Wasseroberfläche bildet ein Wölbung nach oben aus, diese ist besonders am Glasrand sichtbar. Gibt man nun einen Tropfen Geschirrspülmittel auf die Wasseroberfläche fließt das Wasser über den Glasrand hinab. Dieses Phänomen kann zuhause selbst in einem kleinen Experiment vorgeführt werden. Wie kommt das Phänomen im Sektglas zustande und wie lässt sich die Wirkung eines Tensids erklären?


Zoom!
Bild vergrößern
   

Das Ablösen von wasserlöslichem Schmutz wie Salz oder Zucker stellt beim Waschen mit Wasser kein großes Problem dar. Dieser löst sich im Wasser und wird dadurch fortgeschwemmt. Problematischer wird es bei wasserunlöslichem Schmutz wie Fett, Öl, Eiweiß oder Farbflecken von Rotwein oder Kaffee. Tenside bringen hydrophile oder wasserliebende und hydrophobe oder wasserabweisende, also lipophile oder fettliebende Substanzen zusammen. So kann dann auch fetthaltiger Schmutz durch Wasser abtransportiert werden. Damit dies gelingt, muss ein Tensid-Molekül aus einem hydrophilen und einem hydrophoben Baustein aufgebaut sein:  
    

Zoom!
Bild vergrößern

  

Das Wasser-Molekül besitzt eine relativ hohe Polarität. Das Sauerstoff-Atom im Wasser-Molekül zieht aufgrund seiner hohen Elektronegativität gerne Elektronen an sich heran und benutzt dabei die Elektronen der Elektronenpaarbindungen. Dadurch ergibt sich eine unterschiedliche Elektronendichte im Wasser-Molekül, so dass eine Ladungsverschiebung entsteht. Das Wasser-Molekül wird polar. Die gegensätzlichen Ladungen zwischen den Wasser-Molekülen ziehen sich gegenseitig an, es entstehen Wasserstoffbrücken. Im Innern der Flüssigkeit ist jedes Wasser-Molekül von einem anderen Molekül umgeben. Daher heben sich die Kräfte gegenseitig auf. Anders verhält es sich an der Grenzfläche zwischen Wasser und einer anderen Phase. An der Oberfläche des Wassers wirken die Kräfte einseitig. Da die Wasser-Moleküle hier nach oben keine Nachbarn haben, resultiert daraus eine Kraft, die in das Innere der Flüssigkeit senkrecht gerichtet ist. Zum Ausgleich bildet daher ein Wassertropfen im Idealzustand beim freien Fall die Kugelform aus. Die Kugelform bildet die kleinstmögliche Oberfläche. Liegt der Tropfen auf einem Untergrund wirken weitere Kräfte - beispielsweise die Schwerkraft - auf den Wassertropfen ein. So entsteht die typische, eingedellte Tropfenform eines liegenden Wassertropfens.  
     

Zoom!
Bild vergrößern

 

Diese Kräfte verursachen auch die anfangs beschriebene Wölbung im übermäßig gefüllten Sektglas. Man bezeichnet die Kräfte, die zwischen den zwei Phasen auftreten, allgemein als Grenzflächenspannung. An der Wasseroberfläche grenzt die wässrige Phase an eine gasförmige Phase, im Falle des Wasserglases ist dies die Luft. Die hier auftretende Oberflächenspannung ist eine spezielle Form der Grenzflächenspannung zwischen einer flüssigen und einer gasförmigen Phase. Nur flüssiges Quecksilber hat eine noch höhere Oberflächenspannung als flüssiges Wasser. Bei unpolaren Flüssigkeiten wie Hexan oder Diethylether ist die Oberflächenspannung geringer, bei ihnen verfließen die Tropfen auf einem Untergrund deutlich mehr.  
    

Zoom!
Bild vergrößern

  

Die Oberflächenspannung ermöglicht dem Wasserläufer das Laufen auf dem Wasser. Der Wasserläufer erzeugt eine "Delle" an der Wasseroberfläche, diese wirkt wie von einer unsichtbaren Haut überzogen. Zum Absinken muss zur Überwindung der Oberflächenspannung die Oberfläche des Wassers vergrößert werden, die Schwerkraft vermag dies aufgrund des geringen Gewichts des Wasserläufers nicht. Manche Gegenstände gehen nicht unter, auch wenn sie eine höhere Dichte als Wasser haben. Legt man beispielsweise eine Büroklammer vorsichtig mit Hilfe eines kleinen Filterpapieres auf die Wasseroberfläche, saugt sich das Filterpapier voll und geht unter, während die Büroklammer schwimmt:  

   
Zoom!
Bild vergrößern

 

Die Büroklammer geht jedoch unter, sobald ein Tropfen eines Tensids zugegeben wird. Das Tensid verteilt sich sofort in einer dünnen Schicht auf der ganzen Wasseroberfläche und drückt die Büroklammer vor dem Untergehen noch kurzzeitig zur Seite. Dieses Phänomen lässt sich demonstrieren, wenn man Konfetti auf das Wasser streut und dann einen Tropfen Geschirrspülmittel hinzugibt. Die Papierstückchen werden durch die sich ausbreitende Tensid-Schicht nach außen gedrückt. Zur Erklärung auf molekularer Ebene muss man sich vorstellen, dass sich der hydrophile Anteil der zugegebenen Tensid-Moleküle in Richtung des Wassers ausrichtet, während der hydrophobe Anteil aus dem Wasser herausragt. Diese Anordnung ist für die Tensid-Moleküle energetisch besonders günstig. Gleichzeitig wird aber der Zusammenhalt der Wassermoleküle gestört, die Oberflächenspannung wird herabgesetzt. Aus diesem Grund fließt das Wasser auch über den Glasrand des übermäßig gefüllten Sektglases, sobald man einen Tropfen Geschirrspülmittel hinzugibt.  
   

Zoom!
Bild vergrößern

 

Erst bei der Zugabe von noch mehr Tensid verteilen sich die Tensid-Moleküle im ganzen Wasser. Aufgrund ihres molekularen Aufbaus aus hydrophoben und hydrophilen Bauteilen bilden die im Wasser vorhandenen Tensid-Moleküle eine kugelförmige Anordnung. Der hydrophile Teil ragt nach außen, während der hydrophobe Teil nach innen gerichtet ist. So bilden sich Micellen, die in anionischen Tensiden aus bis zu 100 Tensid-Molekülen aufgebaut sein können. Bei einer hohen Tensid-Konzentration bilden sich auch stabförmige Micellen. Im Unterschied zu den echten Lösungen zeigen Tensid-Lösungen den Tyndall-Effekt. Dabei wird das Licht an den bis zu 150 Nanometer großen Micellen gebrochen. Seifenlösungen erscheinen daher im Licht immer ein wenig trübe.  
    

Zoom!
Bild vergrößern
    
 
Beim Schütteln einer Tensid-Lösung dringt Luft ein und Schaumblasen entstehen. Es bildet sich eine Membran, in der zwei Schichten von Tensid-Molekülen eine dünne Schicht an Wasser-Molekülen umhüllen. Die Doppelschicht aus Tensid-Molekülen wird Lamelle genannt. Seifenblasen entstehen auf diese Art und Weise.  
   

 Zoom!
Bild vergrößern


   
Waschwirkung von Tensiden  

Gibt man mit einer Pipette vorsichtig Wasser auf ein Textilgewebe, bilden sich zunächst Wassertropfen. Die Zugabe eines Tensids vermindert die Oberflächenspannung, so dass die Tropfen zerstört und das Wasser in das hydrophobe Gewebe eindringen kann. Bei dieser Benetzung bilden die Wassermoleküle mit den festen Schmutzteilchen und mit dem Gewebe eine Grenzfläche. Diese Benetzung ist die Grundvoraussetzung, damit ein Tensid am Schmutz auf dem Gewebe überhaupt angreifen kann.  
   

Zoom!
Bild vergrößern

Benetzung eines Baumwollgewebes nach Zugabe eines Tensids   
 

Öffnet man ein mit Öl gefülltes Fläschchen unter Wasser, fließt das Öl aufgrund der Grenzflächenspannung zwischen den beiden flüssigen Phasen nicht aus dem Fläschchen heraus, obwohl das Öl die geringere Dichte als Wasser hat und eigentlich nach oben fließen müsste. Vermischt man das Wasser mit einem Tensid, wird die Grenzflächenspannung herabgesetzt und das Öl treibt nach oben.  
     

Zoom!
Bild vergrößern


Nach der Zugabe von Seifenlösung fließt das Öl aus dem Fläschchen aus     

 
Gibt man ein angefärbtes Öl in einem Standzylinder zu Wasser, schwimmt das Öl aufgrund der geringeren Dichte oben. Nach dem Schütteln trennt sich das Gemisch nach einiger Zeit wieder. Erst die Zugabe eines Tensids ermöglicht die Bildung einer Emulsion nach dem Schütteln:  
   

Zoom!
Bild vergrößern


Nach der Zugabe von Seifenlösung lässt sich das angefärbte Öl mit
dem Wasser durch Schütteln vermischen: Es bildet sich eine Emulsion
    
 

Dabei werden die Öltröpfchen von den Tensid-Molekülen eingehüllt. Der hydrophobe Teil des Tensid-Moleküls ist dem Öltröpfchen zugewandt, während der hydrophile Anteil in Richtung der Wasser-Moleküle zeigt. So werden die Öltröpfchen im fein verteilten Zustand im Wasser gehalten. Beim Reinigen einer ölverschmutzten Faser werden die Ölmoleküle vom Tensid-Molekül ebenfalls "eingehüllt":  
   

Zoom!
Bild vergrößern

  
 

Tenside können auch feste Schmutzpartikel benetzen. Legt man einen mit Holzkohlepulver verschmutzten Wollfaden in eine Tensid-Lösung, dann löst sich das Holzkohlepulver allmählich von der Faser ab, und es bildet sich eine Suspension. Das Tensid wirkt dabei als Dispergiermittel.  
   

Zoom!
Bild vergrößern



Damit sich der Schmutz vollständig vom Textilgewebe löst, ist eine mechanische Bewegung notwendig. Außerdem werden die Vorgänge bei höherer Waschtemperatur erheblich beschleunigt. Beim Halten der Schmutzteilchen in der Tensid-Lösung spielen auch Ladungs- und Abstoßungseffekte eine Rolle. Dadurch können sich die abgelösten Schmutzteilchen nicht mehr zu größeren Bausteinen vereinigen.  
 
Copyright: T. Seilnacht
 www.seilnacht.com