Waschmittel. - Erklärung: Durch Spül-/ Waschmittel wird die Grenz- bzw. Oberflächenspannung herabgesetzt.

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie: Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsvorträge in anorganischer Chemie im Wintersemester 2007/ Betreuung: Dr. M. Andratschke Referenten: Michaela Dieplinger, Franziska Rieger 1. Historisches [1, 2] Waschmittel Waschmittel werden bereits seit Jahrtausenden von Menschen benutzt. Erste Hinweise auf Seifenherstellung finden sich bei den Sumerern. [1] Das Prinzip der Seifenproduktion hat sich im Laufe der Zeit kaum verändert. Seife wurde schon bei den Ägyptern aus pflanzlichen Ölen bzw. tierischen Fetten in Verbindung mit Soda hergestellt. Dies sind auch heute noch die Hauptbestandteile. Variiert wurden hauptsächlich die Verwendungszwecke von Seife. So fand sie sowohl als eine Art Medizin, als auch als Kosmetikum und natürlich zur Körperreinigung Anwendung. Vor allem in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts bekam die Körperhygiene einen sehr hohen Stellenwert kam das erste Vollwaschmittel auf Seifenbasis mit Natriumperborat als Bleichmittel und Natriumsilicat als Stabilisator unter dem Namen Persil auf den Markt. 2. Seife - eines der ältesten Tenside [3] Das Wort Tensid kommt von dem lateinischen Verb tendere (= spannen, straff anziehen). Tenside sind waschaktive Substanzen, die die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit oder die Grenzflächenspannung zwischen zwei Phasen herabsetzen. [3] Eine Grenzfläche ist eine Fläche, die zwei nicht mischbare Phasen voneinander trennt. Eines der ersten Tenside sind Seifen. Versuch 1: Herabsetzung der Grenz- bzw. Oberflächenspannung des Wassers [4] Kristallisierschale, kleines Präparateglas, kleiner Erlenmeyerkolben, Pipette Wasser, Spülmittel, Olivenöl, Waschmittellösung a) Ein mit ca. 5 ml Olivenöl gefülltes Präparateglas wird in eine mit Wasser gefüllte Kristallisierschale gestellt. Anschließend gibt man einige Tropfen Spülmittel hinzu. b) Ein kleiner Erlenmeyerkolben wird so weit mit Wasser gefüllt, bis sich eine Wölbung bildet. Dann wird ein Tropfen Waschmittellösung hinzugegeben. a) Das Öl bleibt im Fläschchen. Nach Zugabe von Spülmittel läuft das Öl heraus und steigt an die Wasseroberfläche. b) Nachdem ein Tropfen Waschmittellösung hinzugetropft wird, schwappt Wasser aus dem Kolben. Durch Spül-/ Waschmittel wird die Grenz- bzw. Oberflächenspannung herabgesetzt. 2.1 Gewinnung von Seife [1, 5, 6] Zur Seifenherstellung werden hauptsächlich pflanzliche und tierische Fette benötigt. Fette, auch Triglyceride genannt, sind Ester des dreiwertigen Alkohols Glycerin (= Propantriol) mit drei meist unverzweigten Fettsäuren, die zwischen 10 und 20 C-Atome enthalten können. Die Fette werden mit Natron- bzw. Kalilauge gekocht. Es entsteht Glycerin und das Natrium- bzw. Kaliumsalz der Fettsäuren. Dieser sogenannte Seifenleim wird anschließend mit Kochsalz versetzt. Dabei entstehen ein fester Seifenkern, der hauptsächlich die Salze der Fettsäuren enthält, und eine Unterlauge. Nachdem der Seifenkern mit kochendem Wasser und etwas Lauge gereinigt wurde, wird nach nochmaliger Aussalzung das Produkt getrocknet und anschließend nach Zugabe von Duft- und Farbstoffen zu einzelnen Seifenstücken gepresst. Wird bei dieser sogenannten Verseifung Natronlauge benutzt, entsteht Kernseife, wird Kalilauge verwendet, erhält man Schmierseife. 1

2 Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für die Gewinnung von Kernseife: Fett (Triglycerid) Natronlauge Glycerin (Propantriol) Na-Salz der Fettsäure (= Seife) Abb. 1: Gewinnung von Kernseife [5] Die Reaktion, die stattfindet, ist also eine Esterspaltung. 2.2 Bau und Eigenschaften von Seifen [3, 5] Seifen müssen amphiphil aufgebaut sein, d. h. einen hydrophilen und einen hydrophoben Rest besitzen, da sie die Grenzflächenspannung zwischen zwei Phasen herabsetzen. Daher können sie zwischen zwei nichtmischbaren Phasen wirken. Der hydrophobe Rest ist die unpolare Kohlenwasserstoffkette, der hydrophile und somit lipophobe Rest ist die polare Carboxylatgruppe. Seifen sind also folgendermaßen aufgebaut: H H H H H H H H H H H C C C C C C C C C C C H H H H H H H H H H unpolar, lipophil, hydrophob Abb. 2: Aufbau eines Tensids O O - polar, lipophob, hydrophil 2.3 Nachteile von Seifen [1, 5] Das Waschen mit Seife hat jedoch einige Nachteile: - Härteempfindlichkeit Seifenlösungen bilden mit hartem Wasser, d. h. Wasser mit Calcium- und Magnesiumionen, wasserunlösliche Kalk- bzw. Magnesiumseifen. Die ausgefällten Seifen können keine Waschwirkung (mehr) entfalten, sodass beim Waschen in hartem Wasser mehr Seife gebraucht wird, um die gewünschte Waschwirkung zu erzielen. Die ausgefällte Kalkseife kann sich auf den Fasern absetzen, wodurch diese grau und spröde werden. [5] - Säureempfindlichkeit Ein weiterer Nachteil von Seifen ist die Reaktion, die in sauren Lösungen abläuft. In einer Gleichgewichtsreaktion kommt es zu einer Protonierung des Seifenanions. Es wird die schwerlösliche Fettsäure gebildet. So sind Seifen in Lösungen mit ph < 6 nur noch schlecht oder gar nicht mehr wirksam. [5] - Basische Reaktion Schließlich ist noch zu erwähnen, dass Seifen in wässriger Lösung einen ph-wert von über 9 annehmen können (siehe auch Versuch 2, Seite 3). Die basisch reagierenden Seifenlösungen greifen dann z. B. beim Händewaschen den Säureschutzmantel der Haut (ph = 5,5) an. Auch empfindliche Gewebe, wie z. B. Wolle, werden beim Waschen mit Seife angegriffen. [5] Aufgrund der erwähnten Nachteile haben synthetische Tenside mit zahlreichen zusätzlichen Inhaltsstoffen die Seifen beim Waschen weitgehend abgelöst. 2

3 Versuch 2: Nachweis der Basizität von Waschmitteln [2] 3 Reagenzgläser Rotkohlsaft, Wasser, Essig, festes Waschmittel Jedes Reagenzglas wird zu einem Drittel mit Rotkohlsaft und zu zwei Drittel mit Wasser gefüllt. In ein Glas gibt man etwas Essig, in ein anderes zwei Spatelspitzen voll Vollwaschmittel. Das dritte Glas dient zum Vergleich. Mit Essig färbt sich der Rotkohlsaft pink, mit Waschmittel grün. Rotkohl wirkt als Indikator. Das Waschmittel reagiert basisch. 3. Moderne Waschmittel 3.1 Bestandteile [2, 5, 7-10] - Über 30 % Zeolithe (Builder) [7, 10] Zeolithe wirken in Waschmitteln als Enthärter. Sie wurden erstmals von der Firma Henkel als Phosphatersatz zum Waschen eingesetzt. Enthärter werden verwendet, um die im Wasser enthaltenen Calcium- und Magnesiumionen zu entfernen. - Bleichmittel auf Sauerstoffbasis [2, 5] Durch Bleichmittel werden Flecken, d. h. Farbstoffrückstände oxidativ in farblose Stoffe überführt und zusätzlich Bakterien abgetötet. - optische Aufheller (Weißtöner) [5] Weiße Wäsche erhält nach häufigem Waschen einen Gelbstich, da ein Teil des blauen Lichtes absorbiert wird. Um den fehlenden Blauanteil des Lichtes zu ersetzen, d. h. um die Wäsche weißer erscheinen zu lassen, fügt man Weißtöner hinzu. - Tenside Anionische Tenside [5, 8] Anionische Tenside sind der Hauptbestandteil der heutigen Waschmittel. Sie bestimmen auch größtenteils deren Waschvermögen. Heute werden vor allem synthetische, lineare Alkylbenzolsulfonate verwendet, die durch Mikroorganismen zu 80 % abbaubar sind. Kationische Tenside [8] Kationische Tenside, die vor allem in Weichspülern enthalten sind, machen Textilien weich und geschmeidig, verringern die Trocknungszeit und erleichtern das Bügeln. Amphotere Tenside (Zwitterionische Tenside) [8] Amphotere Tenside besitzen sehr positive Eigenschaften, wie z. B. sehr gute Hautverträglichkeit und antibakterielle Wirkung. Allerdings sind amphotere Tenside sehr teuer in der Herstellung und kommen deshalb nur in sehr geringen Mengen in Waschmitteln zum Einsatz. Nichtionische Tenside [8] Nichtionische Tenside weisen gute Wascheigenschaften, vor allem bei synthetischen Fasern (vergrauungs- und verfärbungsinhibierende Effekte) und bei niedrigen Waschtemperaturen, auf. - Enzyme [5, 8] Enzyme sind in modernen Waschmitteln enthalten, um eiweiß- und stärkehaltige Flecken in wasserlösliche Spaltprodukte zu überführen. - Stellmittel [9] Als Stellmittel bezeichnete Streckmittel werden Waschmitteln zugesetzt, um die gewohnte Dosierung zu ermöglichen und Überdosierung zu vermeiden. - Schaumregulatoren [2] - Duft- und Farbstoffe [2] 3

4 Versuch 3: Demonstration der bleichenden Wirkung von Vollwaschmitteln [4] 2 Reagenzgläser Vollwaschmittel (Persil), Colorwaschmittel, Tinte, Wasser Jedes Reagenzglas wird zu einem Fünftel mit Tinte und zu vier Fünftel mit Wasser gefüllt. In ein Glas gibt man etwas Colorwaschmittel, in das zweite drei Spatelspitzen voll Vollwaschmittel. Mit Vollwaschmittel entfärbt sich die Lösung, mit Colorwaschmittel bleibt die Farbe unverändert. Die im Vollwaschmittel vorhandenen Bleichmittel entfärben die Tinte. 3.2 Waschvorgang [1, 5] Waschen bedeutet, dass Schmutzteilchen, die sich auf der Oberfläche von Textilien befinden, von der Faser gelöst werden. Eine große Rolle spielt hierbei die Grenzflächenspannung des Wassers. Deren Herabsetzung führt dazu, dass Wasser leichter bzw. tiefer ins Gewebe eindringen und somit die Fasern gut benetzen kann. Aufgrund des Aufbaus der Tenside verbindet sich deren hydrophober Teil mit den ebenso hydrophoben Schmutzpartikeln (z. B. Fett, etc.) und stellt sozusagen eine Verbindung zum umgebenden Wasser her. Der Schmutz wird vom Tensid umhüllt. Es kommt zur gegenseitigen elktrostatischen Abstoßung zwischen Tensidionen auf der Faser und Tensidionen, die die Schmutzpartikel umgeben, und damit zu einer verminderten Schmutzhaftung an der Faser. Die Ablösung des Schmutzes von der Faser wird sowohl durch mechanische und thermische Faktoren, als auch durch die negative Ladung der Fasermoleküle begünstigt, die im alkalischen Milieu durch Anlagerung von Hydroxidionen zustande kommen kann, falls die Fasermoleküle hydrophile polare Gruppen aufweisen. Die gegenseitige Abstoßung bewirkt auch die Zerteilung größerer Schmutzpartikel, deren Einschluss in Micellen, und verhindert, dass sich die Schmutzpartikel wieder zu größeren Aggregaten zusammenschließen können. Eine vollständige Reinigung erfordert neben mechanischer Bewegung beim Waschvorgang auch einen Abtransport des in Emulsionen/ Suspensionen gelösten Schmutzes. Zusammenfassend kann man sagen, dass bei jedem Waschvorgang mehrere verschiedene Faktoren von Bedeutung sind: - Mechanik - Chemie (Waschmittel) - Zeit (Einwirkdauer) - Temperatur 4. Umweltproblematik bei den Waschmitteln 4.1 Ursachen [5] Man darf nicht vergessen, dass Waschmittel nach dem Waschen tag täglich ins Abwasser gelangen und somit die Umwelt beträchtlich beeinflussen. Deshalb müssen heute laut dem Waschmittelgesetz 80 % der Tenside ökologisch abbaubar sein. Tenside stellen vor allem eine Gefahr für Fische dar. Das größte Problem bringen phosphathaltige Wasserenthärtungsmittel, die zu Phosphaten abgebaut werden. Durch diese Abbauprodukte kommt es zur Überdüngung von Gewässern und damit zur überhöhten Algenvermehrung. Sobald eine zu große Menge an Biomasse anfällt, kommt es zum anaeroben Abbau, damit zur Bildung von giftigen Abbauprodukten und so zum Umkippen des Gewässers. 4.2 Maßnahmen [5] - Volle Ausnutzung des Fassungsvermögens der Waschmaschine - Bei der Dosierung des Waschmittels auf den Verschmutzungsgrad der Wäsche und die Wasserhärte achten - Verzicht auf schwer abbaubare Tenside - Verwendung von Zeolithen statt Polyphosphaten als Enthärter in den Waschmitteln - Wasserenthärtung durch in die Maschine installierte Ionenaustauscher vornehmen 4

5 5. Didaktische Analyse [11] Das Thema Waschmittel ist unter dem Thema Waschvorgang und umweltbewusstes Waschen Bestandteil des Themenblocks Maßgeschneiderte Stoffe in Technik und Alltag, der im Lehrplan der sechsstufigen Realschule für den Zweig I unter Ch 10.4 und für den Zweig II/ III unter Ch 10.7 vorgesehen ist. Anhand dieses Themas werden Schülern neben verantwortungsvollem und umweltbewusstem Umgang mit Reinigungsmitteln auch die Eigenschaften und Wirkungsweisen eines Stoffes nahegebracht, der in ihrem alltäglichen Leben Verwendung findet. 6. Literaturverzeichnis [1] (Seite aktuell am ) [2] G. Schwedt: Experimente mit Supermarktprodukten, 2. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim, 2003, S , 150 [3] (Seite aktuell am ) [4] (Seite aktuell am ) [5] M. Hünten: Abitur-Training Chemie, Grundkurs Chemie 2, Stark Verlag, Freising, 1997, S [6] (Seite aktuell am ) [7] (Seite aktuell am ) [8] (Umweltbundesamt) (Seite aktuell am ) [9] (Seite aktuell am ) [10] (Seite aktuell am ) [11] 5

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