Grenzflächenchemie Tenside - TU · PDF fileGrenzflächenchemie SS 2006 Tenside Dr. R. Tuckermann Tenside (lat. tendere = spannen) sind grenzflächenaktive Substanzen. In der Regel

GrenzflchenchemieSS 2006
Dr. R. TuckermannTenside
Tenside (lat. tendere = spannen) sind grenzflchenaktive Substanzen. In der Regel sind Tenside amphiphile Verbindungen, d. h. sie tragen sowohl polare (hydrophile bzw. lipophobe) als auch unpolare (hydrophobe bzw. lipophile) Gruppen. Ihre beiden wichtigsten Eigenschaften sind die Adsorption an Grenzflchen und die Aggregation(Mizellenbildung) in der Volumenphase.
Andere Ausdrcke fr grenzflchenaktive Substanzen:
Detergentien (lat. detergere = abwischen)
Amphiphile
Surfactants (engl. surface active agents)
Adsorption an Grenzflchen
Aggregation in der Volumenphase

Dr. R. TuckermannKlassifizierung von Tensiden
Tensidklasse Modell Bespiel
Anionische Tenside
Kationische Tenside
Amphotere Tenside (zwitterionische Tenside)
Nichtionische Tenside

Dr. R. TuckermannTensidverbrauch
Anwendung Menge in 103 t Anteil in %
Waschen und Reinigen 1900 42
Textilien und Fasern 750 17
Bergbau, Flotation, Erdlfrderung 300 7
Kosmetik und Pharmazie 300 7
Farben, Lacke, Kunststoffe 200 4,5
Nahrungsmittelindustrie 200 4,5
Metallverarbeitung 130 3
Papierindustrie 100 2
Pflanzenschutzmittel 100 2
Bauindustrie 50 1
Leder- und Pelzindustrie 50 1
Sonstige Verwendung 400 9

Dr. R. TuckermannTensideigenschaften
Wasser Tensid
Molenbruch
1 2 3
Zustandsgebiet 1: Bildung von Adsorptionsschichten, Beeinflussung von Benetzungsgleichgewichten, Schaumbildung
Zustandsgebiet 2: Bildung von Mizellen (Kugeln, Stbchen, Disken), Solubilisierungvon lartigen Fremdstoffen, Entstehung von Mikroemulsionen
Zustandsgebiet 3: Bildung von lyotropen Mesophasen, Bildung von Gelen
Stbchen-mizellen
Kugel-mizellen

Dr. R. TuckermannTensideigenschaften
von einzelnen Tenidmoleklen in Lsung ber Emulsion
zu lyotropenFlssigkeitskristallen.

Dr. R. TuckermannPackungsdichte von Tensiden
Packungsparameter p von Tensidmoleklen (sehr hilfreiche Gre bei der Beschreibung von Mikroemulsionssystemen):
Querschnittsflche des Kohlenwasserstoffrestes ah = V/l (V = Volumen des Tensidmolekls, l = Lnge des hydrophoben Restes), Flche der polaren Kopfgruppe f eines Tensimolekls an der Phasengrenze
flV
fap h
==
p < 1/3 Sphrische Mizellenin Wasser
1/3 < p < 1/2 Stbchenfrmige Mizellen in Wasser
1/2 < p < 2 lamellare Phase in Wasser oder l
2 < p < 3 stbchenfrmige Mizellen in l
3 < p sphrische Mizellenin l

Dr. R. TuckermannOberflchenaktivitt von Tensiden

Dr. R. Tuckermann
Erniedrigung der Oberflchen- und Grenzflchenspannung
ffnet man unter Wasser eine enghalsige, mit l gefllte Flasche, so tritt das l trotz der geringeren Dichte nicht aus. Die Vergrerung der Oberflche zwischen den beiden Phasen erfordert mehr Energie, als mittels Schwerkraft zur Verfgung gestellt werden kann. ZwischenWasser und l besteht offensichtlich eine groe Grenzflchen-spannung. Die Ursache dafr sind die starken Wasserstoffbrcken-bindungen zwischen den Wassermoleklen. Wird durch Zugabe einer Seifenlsung (rechts) die Grenzflchenspannung der wssrigen Phase verringert, steigt das l spontan zur Oberflche.

Dr. R. TuckermannMizellenbildung
Bei einer geringen Konzentration an Tensidanionen reichern sich diese an der Wasseroberflche an. Bei zunehmender Konzentration wird diese Grenzflche vollstndig mit einer Schicht von Seifenanionen bedeckt.Beim Lsen weiterer Tenside liegen dann auch Tensidanionen im Innern der Lsung vor. Der hydrophobe Teils des Tensidanions versucht dabei, sich der Wechselwirkung mit dem Wasser mglichst zu entziehen und es kommt zur Ausbildung von Mizellen. Die Mizellen sind Teilchenverbnde unterschiedlicher Form, die sich aus 50 bis 1000 Tensidanionen bilden. Innerhalb der Mizelle ordnen sich die Tensidanionen so an, dass die hydrophoben Gruppen in das Innere der Mizelle weisen und durch Van-der-Waals-Krfte stabilisiert werden. Die hydrophilenGruppen sind den Wassermoleklen in der Lsung zugewandt.

Dr. R. TuckermannOberflchenspannung
Verlauf der Oberflchenspannung lg von Tensidlsungen, z. B. von Na-Alkylsulfaten in Wasser, in Abhngigkeit von der Kettenlnge (C10 - C18).

Dr. R. TuckermannLeitfhigkeit
Verlauf der quivalentleitfhigkeit c in Abhngigkeit von cT fr ionische Tensidlsungen, z. B. Na-Alkylsulfate, mit unterschiedlicher Kettenlnge (C12, C14, C18). Knickpunkte: kritische Mizellbildungskonzentration ck.

Dr. R. TuckermannMizellenbildung
Bildung von Adsorptions-schichten und Mizellen in den verschiedenen Bereichen der lg/cT-Kurve. Der Abfall der Oberflchenspannung lg ist identisch mit Bildung von Adsorptionsschichten. Nach Erreichen des Knickpunktes entspricht der horizontale Verlauf der lg -Werte der Bildung von Mizellen.

Dr. R. TuckermannMittlere Aggregationszahlen

Dr. R. TuckermannKritische Mizellenkonzentration
Kritische Mizellenkonzentration ist abhngig von:
Art des Dispersionsmittels (Wasser, Benzol, Glycerin etc.)
chemischer Aufbau der hydrophilen Kopfgruppe und der hydrophoben Gruppe (Kettenlnge)
sterische Eigenschaft der hydrophoben Kohlenwasserstoffkette (verzweigtkettig,unverzweigtkettig)
Wertigkeit und Art der Gegenionen in der Kopfgruppe von ionischen Tensiden
Wertigkeit und Art des zugesetzten Grundelektrolyten und dessen Ionenstrke
BnAck +=lg

Dr. R. Tuckermann
Phasendiagramm im Bereich der Mizellenbildung
Zustandsdiagramms des binren Systems Tensid-Wasser in der Nhe des sogennanten Krafft Punktes.

Dr. R. TuckermannThermodynamik der Mizellenbildung
Ziel: Berechnung der Freien Standardmizellbildungsenthalpie GM bzw. der Mizellbildungskonzentration.
Assoziationsmodell: Mizellbildung stellt ein Assoziations- bzw.Aggregationsprozess dar (Assosziationsgleichgewicht mit Assoziationskonstante KA).
Phasenseparationsmodell: Mizellen stellen eine neue Phasen (Mikrophasen) dar. Mikrophase steht im Gleichgewicht mit der wsserigen Tensidlsung. Chemische Potentiale der Tensidmolekle in der wssrigen Phase (w) und in der Mizellphase(M) gleich.

Dr. R. TuckermannStruktur von Mizellen
Mizellstrukturen von Mizellkolloiden: (a) Kugelmizelle im fluiden Zustand, (b)Stbchenmizelle im fluiden Zustand, (c) Diskenmizelle im fluiden Zustand, (d) inverse Kugelmizelle im fluiden Zustand.

Dr. R. Tuckermann
Einflussfaktoren auf die Mizellenstruktur
Geometrie und Art von hydrophoben und hydrophilen Moleklanteilen des Tensids
Ionenstrke bei zugesetzten Elektrolyten
Natur der Lsungsmedien
Zustze wie Cotenside oder Kohlenwasserstoffe
Temperatur
Nachweis bergang Kugelmizelle Stbchenmizelle durch Messung der spezifischen Leitfhigkeit . cT Tensid-konzentration; ck1 ,ck2 Mizellbildungs-konzentrationen.
Struktur von Mizellen

Dr. R. TuckermannSolubilisierung in Mizellen
Solubilisierung: Fhigkeit der mizellaren Tensidlsungen, Substanzen, die in dem benutzten Dispersionsmittel (meist Wasser) unlslich sind, in Lsung zu bringen (Solubilisation).
Gelste Farbstoffmenge S bei Mizellbildung: Solubilisierung eines Farbstoffes, z.B. Orange OT, in wssrigen Lsungen von Na-Dodecylsulfat. DieSolubilisierung setzt erst nach Erreichen der kritischen Mizellbildungskonzentration ck ein.

Dr. R. TuckermannSolubilisierung in Mizellen
Solubilisierte Fremdstoffe werden in Kugel-oder Stbchenmizelle eingebaut.
Begrenzte Aufnahmekapazitt der Mizellen.
Solubilisation vom chemischen Aufbau desTensids, vom Dispersionsmedium(Elektrolytgehalt, pH-Wert etc.) sowie vom chemischen Aufbau und dem Ladungsaufbau der Fremdsubstanz abhngig.
Solubilisation nicht an Kugel- undStbchenmizelIen gebunden. Auchlamellare oder hexagonale Flilssigkristallesind fhig, Fremdstoffe in die LamelIenoder Stbcheneinheiten einzubauen undSolubilisate zu bilden.
Einbau der Fremdmolekle verndert Mikrostruktur und Dimension der Mizellen.Solubilisation wirkt sich auf die mizellarenStrukturen aus, verndert die ck- Werte desTensids.

Dr. R. TuckermannSchaumbildungDas Schaumbildungsvermgen von Tensiden in wsseriger Lsung beruht auf der Ausbildung von Lamellen und Blasen. Der Gasvolumenanteil ist i. d. R. sehr viel grer als der Flssigkeitsanteil, dennoch kann der Flssigkeitsanteil als die kontinuierliche Phase angesehen werden.

Dr. R. TuckermannSchaummorphologie
Kugel- und Wabenschaum unterscheiden sich vom Polyederschaum deutlich in ihrem Flssigvolumenanteil. Im Polyederschaum ist dieser Anteil zu einem groen Teil durch Ablaufen der Flssigkeit im Schwerefeld nach unten herabgesetzt worden (drainage). Im Polyederschaum ist die Drainage soweit fortgeschritten das die Grenzflchenkrfte die Kugelform deformieren. Wichtige Vertreter dieser Schaummorphologien:
- Sektschaum als Kugelschaum - Bierschaum als Polyederschaum

Dr. R. Tuckerm

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