WASCHMITTEL. 1 Geschichtliches: Seife als klassisches Waschmittel. 2 Was sind Waschmittel? 3 Aufbau. Versuch 1: Seifenschiffchen

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsversuche im Sommersemester 2013 Betreuung: Dr. M. Andratschke Referenten: Thomas Fellner, Nadine Boele WASCHMITTEL 1 Geschichtliches: Seife als klassisches Waschmittel Seife ist bereits seit Jahrtausenden bekannt. Vor mehr als 4000 Jahren wurde sie in Ägypten von Sumerern entdeckt und das Rezept auf eine Steintafel niedergeschrieben. Seife ist somit das älteste chemische Produkt. Sie war lange Zeit nur als Luxusartikel erhältlich. [1, 2] erstes Seifenrezept: [1, 2] 2 Was sind Waschmittel? Definition: Ein Waschmittel ist ein Gemisch aus verschiedenen chemischen Verbindungen, die beim Waschen von Textilien den Schmutz lösen, das Waschvermögen verbessern und die Textilien pflegen, das heißt ihr Aussehen und die Gebrauchseigenschaften erhalten. [3] Die Inhaltsstoffe von Waschmitteln, die den Reinigungsprozess erleichtern, heißen Detergenzien (lat. detergere abwischen ). [4] 3 Aufbau Modell eines Seifenmoleküls Abb. 1: Modell eines Tensids [1, 2, 15] Seifenmoleküle beziehungsweise Tenside (das heißt waschaktive Substanzen) setzen sich zusammen aus (siehe Abbildung 1) einer polaren Carboxylgruppe (hydrophil) (in Abbildung 1 blau) und einem unpolaren Alkylrest (hydrophob) (in Abbildung 1 gelb). Daher sind sie in polaren und unpolaren Lösungsmitteln löslich. Man nennt Moleküle mit solchen Eigenschaften grenzflächenaktive Substanzen. [1, 2] Versuch 1: Seifenschiffchen Spülmittel (Tenside), Wasser (H 2 O) Wäschewanne, zwei Papierschiffchen Die Wäschewanne wird mit Wasser gefüllt. Eines der Schiffchen wird an der hinteren Ecke mit Spülmittel befeuchtet. Dann werden beide Schiffchen in die Wäschewanne gesetzt. 1

2 Das Schiffchen mit Spülmittel bewegt sich nach vorne. Spülmittel setzt die Oberflächenspannung des Wassers (siehe Abbildung 2) herab. Dadurch entsteht ein Sog, der das Schiffchen antreibt. [5] 4 Herabsetzung der Oberflächenspannung Abb. 2: Modell zur Herabsetzung der Oberflächenspannung des Wassers durch Tenside [2, 15] Durch die Zugabe von Tensiden in Wasser werden die zwischenmolekularen Kräfte des Wassers erniedrigt, da sich die Tenside zwischen den Wassermolekülen anlagern. Dies führt zu einer Erniedrigung der Oberflächenspannung des Wassers (siehe Abbildung 2). Versuch 2: Ölfläschchen Paprikaöl (Olivenöl + Paprikapulver), Wasser (H 2 O), Spülmittel (Tenside) großes Becherglas, Glasfläschchen In das große Becherglas wird Wasser hinein gefüllt, bis die Glasflasche komplett untertauchen kann. In die Flasche wird bis zum Flaschenhals Öl gegeben und dann in das Becherglas gestellt. Nun wird etwas Spülmittel in das Becherglas mit Wasser getropft. Das Öl bleibt in der Flasche, auch unter Wasser. Erst wenn man Spülmittel hinzugibt, fließt das Öl aus der Flasche und bildet mit dem Wasser eine Emulsion. Öl und Wasser mischen sich aufgrund der unterschiedlichen Polaritäten der beiden Reagenzien nicht. Durch die Oberflächenspannung bei der Grenzfläche zwischen Öl und Wasser bleibt das Öl zuerst in der Flasche. Seife setzt die Oberflächenspannung herab, weswegen das Öl aus der Flasche entweicht. [1, 6, 7] 5 Mizellbildung Seife löst sich jedoch nicht nur an der Oberfläche des Wassers, sondern auch innerhalb. Dies passiert, indem die Tensidmoleküle kugelförmige Gebilde formen, bei denen die Köpfe eine polare Hülle ergeben und die unpolaren Reste in das Innere ragen (siehe Abbildung 3). Diese Form bezeichnet man als Mizelle. [1, 2] Abb. 3: Modell Mizellbildung [1, 2, 15] 6 Waschwirkung Die Faser- und Schmutzoberflächen werden mit Tensiden benetzt. Die unpolaren Alkylreste der Tenside lagern sich an den unpolaren Oberflächen an, wodurch die Benetzung entsteht (siehe Abbildung 4). [1, 2] Abb. 4: Modell Anlagerung der Tenside an der Faserund Schmutzoberfläche [1, 2, 15] 2

3 Abb. 5: Modell Abstoßung zwischen den polaren "Köpfen" der Tensidmoleküle [1, 2, 15] Da die Tenside nicht linear nebeneinander angeordnet sind, kommen die geladenen Carboxylgruppen miteinander in Berührung (siehe Abbildung 5). Diese stoßen sich gegenseitig ab, wodurch der Schmutz auseinander gebrochen wird. Dadurch entsteht mehr Platz für erneute Tensidanlagerungen. [1, 2] Wie zuvor auch, stoßen sich die geladenen Carboxylgruppen gegenseitig ab. Der Schmutz wird dadurch nach und nach von der Textilfaser abgetrennt (siehe Abbildung 6). [1, 2] Abb. 6: Modell Bruch des Schmutzes durch die Abstoßung der Tensid-Köpfe [1, 2, 15] Nachdem der Schmutz vollständig von der Textilfaser getrennt wurde, entstehen sogenannte Schmutz-Tensid-Mizellen, das heißt der Schmutz ist vollständig von Tensiden umgeben (siehe Abbildung 7). An der Textilfaser lagern sich an der gesamten Oberfläche Tenside an, was bewirkt, dass der Schmutz nicht mehr an der Faser angreifen kann. Der Schmutz ist also dauerhaft entfernt. [1, 2] Abb. 7: Modell dauerhaftes Ablösen des Schmutzes durch Schmutz-Tensid-Mizellbildung und Abstoßung zwischen diesen Mizellen und der mit Tensiden benetzten Faser [1, 2, 15] 7 Nachteile der Seifen Seifenmoleküle bilden in Wasser Hydroxidionen, das heißt, es entsteht eine alkalisch reagierende Lösung. Diese greift die Haut sowie Textilfasern und Waschmaschinenbauteile an und beschädigt diese auf Dauer. [1, 2] Seifen sind außerdem säureempfindlich. Wird der Seifenlösung in irgendeiner Form eine Säure beigesetzt, wird die Waschwirkung reduziert, da die Seifenmoleküle mit der Säure reagieren. Seifen sind auch härteempfindlich. Die Waschwirkung wird bei Verwendung von hartem Wasser erheblich reduziert, da die Seifenmoleküle mit den vorhandenen Calciumionen reagieren und schwerlösliche Salze entstehen. Diese Salze lagern sich dann an der Kleidung ab. [1, 2] Versuch 3: Wasserhärte destilliertes Wasser (H 2 O), Wasser (H 2 O), Calciumchlorid (CaCl 2 ), Spülmittel (Tenside) zwei große Reagenzgläser, Reagenzglasständer, Spatel, zwei Stopfen 3

4 Zwei Reagenzgläser werden mit Leitungswasser und einer Spatelspitze voll Calciumchlorid beziehungsweise mit destilliertem Wasser bis zur Hälfte befüllt. Anschließend gibt man zu beiden Reagenzien etwas Waschmittel, verschließt sie mit Stopfen und schüttelt kräftig. Im Reagenzglas mit destilliertem Wasser ist die Lösung nach dem Schütteln klar und man kann eine enorme Schaumbildung auf der Oberfläche beobachten. Im harten Wasser bildet sich weniger Schaum und eine getrübte Emulsion. Calciumionen bilden schwer lösliche Salze in der Lösung (siehe Kapitel 7). In destilliertem Wasser passiert dies nicht. [1, 2, 6] 8 Moderne Waschmittel Das erste moderne Waschpulver wurde 1880 entwickelt und bestand aus Seife in Pulverform brachte die Firma Henkel das erste richtige Waschmittel auf den Markt: Persil (siehe Abbildung 8). Es enthielt Wasch- und Bleichmittel. Der Name setzt sich aus den Inhaltsstoffen Perborat und Silicat zusammen wurden dann die sogenannten Megaperls entwickelt, die den Waschwirkstoff in hochkonzentrierter Dosis enthalten. [8] 8.1 Inhaltsstoffe moderner Waschmittel Abb. 8: Waschmittelverpackung von Persil [9] Zeolithe Zeolithe werden zur Wasserenthärtung und zur Vermeidung von unerwünschten Ablagerungen von Kalkkrusten auf der Kleidung verwendet. Es handelt sich hierbei um Natrium-Alumino-Silicate, die sich aus (SiO 4 )- und (AlO 4 )-Tetraedern zusammensetzen und eine Gerüststruktur mit Hohlräumen bilden, in denen sich die Metallionen einlagern (siehe Abbildung 9). [1, 8, 10] Seife Seife ist in modernen Waschmitteln nur noch in geringen Mengen vorhanden und dient der Schaumregulierung und der Wasserenthärtung. [8, 10] Phosphonate Phosphonate wirken als Stabilisatoren von Bleichmitteln. Sie werden benötigt zur Bildung von Schwermetallkomplexen, um Ausfällungen zu verhindern und als Wasserenthärter zur Unterstützung von Zeolith A. [12] Tenside Tenside erniedrigen die Oberflächenspannung des Wassers und erhöhen somit die Benetzbarkeit von Stoffen beziehungsweise Fasern. Außerdem sind sie für die Schmutzentfernung verantwortlich. [10] Bleichmittel Bleichmittel zerstören farbige Pigmente, wodurch die Kleidung aufgehellt wird. [1, 10] Abb. 9: Struktur von Zeolith A [11] Versuch 4: Bleichmittel Waschmittel (Bleichmittel auf Sauerstoffbasis), Wasser (H 2 O), Tinte (Kristallviolett C 25 H 30 ClN 3 ) Becherglas, Glasstab In einem Becherglas werden Wasser und Tinte vermischt. Anschließend wird Bleichmittel hinzugegeben. Die Lösung wird entfärbt. Das Bleichmittel zerstört (durch Oxidation) die Farbstoffmoleküle der Tinte. [7] Enzyme Enzyme entfernen hartnäckige Eiweiß-, Fett- und Stärkeflecken. [10] 4

5 8.1.7 Optische Aufheller Optische Aufheller werden verwendet, um Vergilbungen zu entfernen und zu verhindern, indem UV-Strahlung teilweise in sichtbares blaues Licht umgewandelt wird. [10] 9 Lehrplanbezug Natur und Technik in der 5. Klasse: NT Themenbereiche und Konzepte Wasser [13] Anwendungen von Wasser: Waschen Chemie in der 11. Klasse am naturwissenschaftlich-technologischen Gymnasium: C 11.4 Fette und Tenside [14] Zusammenhang zwischen physikalischen Eigenschaften und der Molekülstruktur Alltagsbedeutung Herstellung aus Fetten (Verseifung) Grenzflächenaktivität 10 Quellen 1. R. Reichelt / P. Pfeifer: H 2 O & Co, Organische Chemie, Oldenbourg-Schulbuchverlag, München 2003, S I. Hefner / G. Herrmann / W. Kraus / C. Kreß / F. Orlik / R. Spichtinger: Galvani Chemie 11, Bayerischer Schulbuch Verlag GmbH, München 2009, 1. Auflage, S (Stand ) 4. (Stand ) 5. Schormair, C. / Zimmermann, I.: Akademie für Lehrerfortbildung und Personalführung Dillingen, Naturwissenschaften in der Grundschule, Schwerpunkt Chemie und Physik, Akademiebericht Nr. 404, Dillingen, 2005, S. 128, K. Häusler / H. Rampf / R. Reichelt: Experimente für den Chemieunterricht, Oldenbourg-Schulbuchverlag, München 1995, 2. Auflage, S. 286, 288, Dietrich, V.: Vom Waschen. Naturwissenschaften Biologie, Chemie, Physik, 1. Auflage, Volk und Wissen Verlag GmbH & Co., Berlin, 2000, S. 16, 23, 30, G. Schwedt: Was ist wirklich drin?, Wiley-VCH-Verlag, Weinheim 2006, S (Stand ) 10. (Stand ) 11. https://commons.wikimedia.org/wiki/file:zeolitha-stuktur.png (Stand ) 12. https://de.wikipedia.org/wiki/phosphonate#technische_anwendungen (Stand ) 13. (Stand ) 14. (Stand ) 15. Verwendetes Grafik-Programm: M. Albert / J. Andler / T. Bah / P. Barbry-Blot / J.-F. Barraud / B. Baxter / J. Beard / J. Bintz / A. Biro / N. Bishop / J. L. Blocher / H. Böck / H. Bohre / Boldewyn / D. Borgmann / B. Bouclet / H. Breuer / G. Broberg / Ch. Brown / M. Brubaker / L. Bruno / N. Buculei / B. Byak / P. Caclin / I. Caldwell / G. Carmichael / E. Catmur / Ch. Celorio / J. Ceuppens / Z. Chyla / A. Clausen / J. Cliff / K. Cook / B. Cromwell / R. Crosbie / J. Cruz / A. De-Cooman / M. Derezynski / D. Díaz / B. Dilly / L. Doolittle / T. Dwyer / M. V. Dziumanenko / J. Engelen / M. Erdelyi / U. Erikson / N. Falzon / F. Felfe / A. Fitzsimon / E. Flick / M. Floryan / B. Fowler / Fred / C. Gemy / St. Giannini / O. Gondouin / T. Gould / T. de Greef / M. Grosberg / B. Harrington / D. Harvey / A. A. Heckert / C. Hetherington / J. Hirth / H. Hochreiner / T. Holder / J. Holdsworth / A. Horkan / K. O. Hufthammer / R. Hughes / N. Hurst / inductiveload / T. Ingham / J.-O. Irisson / B. Jamison / jesusda / L. Kaplinski / L. Kerby / N. Kiirala / J. Kilfiger / J. Kivlighn / A. Knoth / K. Kosiński / P. Kovar / B. Lavorata / A. Leone / J. Leray / R. Levien / D. van Lierop / N. Lindgren / V. Lipatov / I. Louette / P.-A. Marc / A.-A. Marmion / C. Marquardt / D. G. Mastrukov / Matiphas / M. Meeks / F. Mena / MenTaLguY / A. Monnier / V. Montagne / T. Mooney / D. P. Moore / P. Moulder / J. Müller / Y. Nakai / V. Navez / Ch. Neumair / A. Nilsson / M. Oka / M. Owens / A. Penner / J. Phillips / Z. Podobny / A. Prokoudine / J.-R. Reinhard / A. Remizov / F. Rodrigo / H. Rodrigues / J. Rudsatz / X. C. Rueda / F. Corrêa da Silva Sanches / Ch. Schaller / M. Scholten / T. von Schwerdtner / D. Šegan / Shivaken / M. Sloan / J. Smith / B. Špetič / A. Spike / K. Sridharan / R. Stephan / D. Stojek / ~suv / M. Sucha / P. Suwalski / A. Taraben / H. Tebby / J. Termeau / D. Turner / A. Twupack / A. Urošević / A. Valavanis / L. Vieites / M. Wybrow / D. Yacob / M. Yamato / D. Yip: Inkscape, Free Software Foundation, Boston 1991, Version 2 5

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