Simulation: Seifen und Tenside – Emulgieren und Suspendieren

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Seifen und Tenside – Emulgieren und Suspendieren

Öl löst sich nicht in Wasser, und Schmutz haftet an Textilien. Mit Seife lassen sich beide fein im Wasser verteilen und wegspülen. Der Grund liegt im Bau der Seifen-Anionen.

Das Seifen-Anion

Kernseife enthält vor allem Natriumsalze von Fettsäuren, zum Beispiel Natriumstearat. Es ist aus Natrium-Ionen (Na⁺) und Stearat-Ionen (C₁₇H₃₅COO⁻) im Anzahlverhältnis 1 : 1 aufgebaut. Stearat-Ionen gehören zu den Alkanoat-Ionen und heißen auch Seifen-Anionen. Sie bestehen aus zwei Teilen:

• Die Carboxylat-Gruppe (–COO⁻) trägt die Ladung 1− und ist hydrophil („wasserliebend“). In der Simulation ist sie das blaue Köpfchen.
• Der Kohlenwasserstoff-Rest aus 17 Kohlenstoff-Atomen ist unpolar, weil sich die Elektronegativitäten von Kohlenstoff (2,5) und Wasserstoff (2,1) kaum unterscheiden. Er ist hydrophob („wassermeidend“) und lipophil („fettliebend“). In der Simulation ist er das sandfarbene Stäbchen.

Stoffe, deren Teilchen einen hydrophilen Kopf und einen langen hydrophoben Rest haben, heißen Tenside (lateinisch tensio, Spannung): Ihre Teilchen lagern sich an Grenzflächen an und setzen die Oberflächenspannung des Wassers herab. Natriumstearat ist also ein Tensid, die Stearat-Ionen sind seine Tensid-Teilchen.

Die ladungscodierte Elektronendichte-Oberfläche in der Legende zeigt Gestalt und elektrisches Potenzial des Stearat-Ions. Weil das Ion negativ geladen ist, ist das Potenzial überall negativ: rot an der Carboxylat-Gruppe (stark negativ, auf beide Sauerstoff-Atome verteilt), gelb am Rest (schwach negativ). Nur nahe der Carboxylat-Gruppe wird der Rest orange; eigene polare Stellen hat er nicht.

Warum meiden die Reste das Wasser?

Zwischen Wasser-Molekülen wirken Wasserstoffbrücken. Schiebt sich ein unpolarer Rest dazwischen, müssen Wasserstoffbrücken aufbrechen. Die London-Dispersionswechselwirkungen zwischen Rest und Wasser-Molekülen sind viel schwächer und gleichen das nicht aus. Die Wasser-Moleküle drängen die Reste deshalb hinaus – „hydrophob“ heißt also nicht, dass Wasser die Reste abstößt. Die Reste ragen in die Luft, lagern sich an andere Reste an oder tauchen ins Öl ein.

Die Carboxylat-Gruppe dagegen bleibt im Wasser: Zu den Wasser-Molekülen wirken Ion-Dipol-Wechselwirkungen, und ihre Sauerstoff-Atome bilden Wasserstoffbrücken. Die ungeladene Carboxy-Gruppe der Stearinsäure (C₁₇H₃₅COOH) reicht dafür nicht; Stearinsäure ist in Wasser unlöslich. Bei kurzem Rest genügt sie: Essigsäure ist mit Wasser in jedem Verhältnis mischbar.

Die Faustregel „Gleiches löst sich in Gleichem“ fasst das zusammen: Polare Stoffe und viele Salze lösen sich in Wasser, unpolare Stoffe in unpolaren Stoffen wie Öl oder Benzin. Das Seifen-Anion vereint beides in einem Teilchen.

Seife in Wasser: Oberfläche und Mizellen

• An der Wasseroberfläche stecken die Köpfchen im Wasser, die Reste ragen in die Luft. Dort wirken weniger Wasserstoffbrücken zwischen den Wasser-Molekülen, die Oberflächenspannung sinkt.
• Im Wasser lagern sich viele Seifen-Anionen zu Mizellen zusammen: Die Reste füllen das Innere aus, die Köpfchen bilden die Hülle. Kugelmizellen sind rund, Stabmizellen länglich. Die Kugelmizelle, die nach dem Neustart entsteht, besteht aus gut 100 Seifen-Anionen.

Eine Mizelle ist kein Molekül, die Seifen-Anionen sind nicht aneinander gebunden. Ihre Hülle ist stark negativ geladen, deshalb stoßen sich Mizellen ab. Natrium-Ionen und einige einzelne Seifen-Anionen bewegen sich frei zwischen den Wasser-Molekülen. Mizellen entstehen erst ab einer bestimmten Konzentration, der kritischen Mizellbildungskonzentration; bei weniger Seife sitzen die Seifen-Anionen an der Oberfläche oder sind einzeln gelöst.

Dispergieren: Emulgieren und Suspendieren

Einen Stoff fein in einem anderen verteilen, in dem er sich nicht löst, heißt Dispergieren; es entsteht eine Dispersion. Eine Flüssigkeit in einer Flüssigkeit verteilen heißt Emulgieren (es entsteht eine Emulsion, zum Beispiel Milch), einen Feststoff in einer Flüssigkeit verteilen Suspendieren (es entsteht eine Suspension). Seife wirkt dabei als Emulgator bzw. Dispergiermittel. Emulsionen und Suspensionen sind trüb, weil die Tröpfchen und Partikel das Licht ablenken; Lösungen sind klar.

Emulgieren: Beim Schütteln zerfällt Öl in Tröpfchen. Ohne Seife fließen sie bald wieder zusammen, denn ein großer Tropfen hat weniger Grenzfläche zum Wasser als viele kleine. Mit Seife stecken die Reste der Seifen-Anionen im Öltröpfchen, die Köpfchen bleiben im Wasser. Die negativ geladenen Hüllen stoßen sich ab, die Tröpfchen bleiben getrennt. Erneutes Schütteln zerteilt auch größere umhüllte Tröpfchen weiter. Reicht die Seife nicht, bleiben die Hüllen lückenhaft und die Tröpfchen fließen zusammen; in der Simulation reicht eine Zugabe nicht, drei Zugaben reichen. Das Öl wird nicht gelöst und chemisch nicht verändert.

Suspendieren: Schmutz besteht oft aus wasserunlöslichen Feststoffpartikeln, zum Beispiel aus unpolarem Ruß. Ohne Seife haften die Bruchstücke nach dem Schütteln wieder aneinander und sinken ab. Mit Seife lagern sich die Reste der Seifen-Anionen an, und die geladenen Hüllen halten die Feststoffpartikel auseinander. Beim Ausspülen werden Öltröpfchen und Feststoffpartikel weggespült.

Stoffdaten

Stoff	Formel	Molare Masse	Eigenschaften
Natriumstearat	C17H35COONa	306,46 g/mol	weißes Pulver, löslich in Wasser, zersetzt sich bei 245 °C
Stearinsäure	C17H35COOH	284,48 g/mol	schmilzt bei 69 °C, unlöslich in Wasser, gut löslich in unpolaren Lösemitteln

2D-Ansicht und 3D-Ansicht

Die 3D-Ansicht zeigt den ganzen Simulationsraum; Wasser-Moleküle sind nur als blasse Schicht an den Mizellen gezeichnet. Die 2D-Ansicht zeigt einen Schnitt durch die Mitte, zusammen mit den Wasser-Molekülen. Eine mittig geschnittene Kugelmizelle erscheint dort als Ring aus Köpfchen, eine Stabmizelle als langgezogener Ring.

Grenzen des Modells

• Reste: als starre Stäbchen gezeichnet; echte Reste sind beweglich.
• Wasser: Die Wasser-Moleküle werden nicht einzeln berechnet.
• Mizellen: Sie bilden sich schon, bevor die Oberfläche dicht besetzt ist. Seifen-Anionen lösen sich fast nur aus kleinen Mizellen; echte Mizellen tauschen ständig Seifen-Anionen mit der Lösung aus. Stabmizellen entstehen in Wirklichkeit erst bei höherer Konzentration.
• Größen: Öltröpfchen und Feststoffpartikel sind in Wirklichkeit viel größer, und echte Feststoffpartikel zerbrechen beim Schütteln nicht.
• Natrium-Ionen: Die Simulation zeigt ein Natrium-Ion je zwölf Seifen-Anionen; in Wirklichkeit sind es gleich viele, und sie halten sich bevorzugt nahe den negativ geladenen Hüllen auf.

Quellen: Stoffdaten nach chemie.de-Lexikon; C. Tanford, The Hydrophobic Effect, 2. Aufl., Wiley 1980; J. N. Israelachvili, Intermolecular and Surface Forces, 3. Aufl., Academic Press 2011; Elektronendichte-Oberfläche: eigene Rechnung für ein einzelnes Stearat-Ion (RHF/6-31G*).