Waschmittel. 1. Seife als klassisches Waschmittel Aufbau des Seifenmoleküls [1]

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Wintersemester 2011/ Gruppenversuche in Anorganischer Chemie mit Demonstrationen Betreuung: Dr. M. Andratschke Referentinnen: Lena Auburger, Regina Lackermeier Waschmittel 1. Seife als klassisches Waschmittel 1.1. Aufbau des Seifenmoleküls [1] Das Seifenmolekül, s. Abb. 1, setzt sich aus einer polaren (hydrophilen) Carboxylgruppe (COO - ) und einem unpolaren (hydrophopen) Alkylrest zusammen und baut sich wie folgt auf: Moleküle, die analog zum Seifenmolekül aufgebaut sind und dadurch sowohl in polaren als auch in unpolaren Lösungsmitteln löslich sind, nennt man grenzflächenaktive Moleküle. Abb. 1 Modell eines Seifenmoleküls 1.2. Versuch: Das Seifenschiffchen [2] dickes Kartonstück, große Schale Seifenspan (Kernseife) bzw. Spülmittel, Wasser Abb. 2 Form des Seifenschiffchen Das Boot setzt sich in Bewegung und fährt. Auswertung: [2, 3] Die Seife dient als Motor. Die Seifenmoleküle setzen die Oberflächenspannung des Wassers herab und das Boot bewegt sich nach dem Rückstoßprinzip. 1

2 Abb. 3 Anordnung der Seifenmoleküle an der Grenzfläche Im Inneren der Flüssigkeit heben sich die Anziehungskräfte der Wassermoleküle gegenseitig auf. An der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft hingegen sind sie einem Spannungszustand ausgesetzt. Die Oberfläche ähnelt einer dünnen Haut, welche durch die Tensidmoleküle zerstört wird. Diese schieben sich an der Grenzfläche zwischen die Wassermoleküle und heben so den Spannungszustand an der Oberfläche auf. Die Anordnung der Tensidmoleküle erfolgt, wie aus der Abbildung 3 ersichtlich wird. Der hydrophobe Teil (braun) ragt dabei in die Luft, der hydrophile Anteil (grün) bleibt im Wasser Waschprinzip der Seife/Tenside [1] Beim Waschvorgang erfolgt zunächst eine Benetzung der Fasern. Die hydrophoben Alkylreste (braun) lagern sich an der Fettoberfläche an und bilden sogenannte Fett-Tensid- Micellen (s. Abb. 4). Durch die mechanischen Bewegungen während des Waschens können sich die Tensidmoleküle zwischen die Verschmutzung und die Faser schieben und so das Fettmolekül schließlich ganz von der Faser ablösen (s. Abb. 5). Anschließend werden die Fettmoleküle zerteilt und bilden mit dem Waschwasser eine Emulsion bzw. Suspension aus. Abb. 4 Bildung der Fett-Tensid-Micelle Abb. 5 Ablösen des Schmutzes von der Faser 2. Moderne Waschmittel 2.1. Historie [4] Erst um 1880 kam es zur Entwicklung des ersten Waschpulvers, welches zunächst nur aus Seife in Pulverform bestand. Am 6. Juni 1907 kündigte die Firma Henkel das erste wirkliche Waschpulver an, welches Wasch- und Bleichmittel enthielt und den Namen Persil trug. Der Name setzt sich aus Perborat und Silicat zusammen, den beiden wichtigsten chemischen Grundstoffen kommt es zu einer Revolution der Waschmittelgeneration durch die Einführung der Megaperls, in denen der Waschwirkstoff in hochkonzentrierter Dosis in Perlenform vorliegt. 2

3 2.2. Bestandteile in modernen Waschmitteln - am Beispiel des Universalwaschmittels Persil Megaperls [4] Tab. 1 Bestandteile des Universalwaschmittels Persil Megaperls Persil Megaperls: Seife Zeolith Sasil Polycarboxylate Phosphonate Nichtionische Tenside Anionische Tenside Bleichmittel auf Sauerstoffbasis Enzyme Duftstoffe Optische Aufheller Seife [4] Seife ist in modernen Waschmitteln nur noch zu einem geringen Anteil vorhanden. Sie sorgt für die Schaumregulierung Zeolithe 2. Versuch: Vollwaschmittel enthärten Wasser [5] Glasrohr (l = 20 cm / d = 1,5-2 cm), Glaswolle, einfach durchbohrter Stopfen, kurzes Glasröhrchen, Stativmaterial, Becherglas Vollwaschmittel, hartes Wasser, Teststäbchen für Wasserhärte Das Wasser besitzt nach dem Durchlaufen des Vollwaschmittels eine geringere Härte. Auswertung: [3, 5] In Vollwaschmitteln sind sogenannte Zeolithe enthalten. Diese sind nötig, da regionalbedingt oftmals eine hohe Wasserhärte vorzufinden ist, die beim Waschen zu unerwünschten Ablagerungen von Kalkkrusten auf Textilien und Teilen der Waschmaschine führen. Beispielreaktion: 2 C 17 H 35 COO - + Ca 2+ (C 17 H 35 COO) 2 Ca 3

4 Abb. 6 Bau eines Zeolith A- Kristalls schematisch [6] Deshalb setzt man als Gerüststoffe die Zeolithe ein, welche dieses Problem beheben. Zeolithe sind Natrium- Aluminium- Silicate, die sich aus Silicat- (SiO 4 )- und Aluminat- (AlO 4 )- Tetraedern zusammensetzen und eine Gerüststruktur mit Hohlräumen bilden, (s. Abb. 6), in denen sich die Kationen befinden. Es erfolgt ein Ionenaustausch, wobei Natriumionen gegen Calcium- und Magnesiumionen ausgetauscht werden. Folglich wirken Zeolithe als Ionenaustauscher und verhindern obig beschriebene Reaktion. Umwelttechnisch ist dieses wasserunlösliche Makromolekül unbedenklich und hat somit früher verwendete Phosphate verdrängt. Des Weiteren besitzen sie die positive Eigenschaft, Schmutzpartikel binden zu können. [4] Phosphonate Die Salze der Phosphonsäuren wirken als Stabilisatoren von Bleichmitteln, da sie Schwermetalle komplexieren, die somit den Zerfall der Bleichmittel unter Sauerstoffabgabe verhindern. [4] Tenside Tenside sorgen für eine Benetzung der Fasern und die Zerteilung der Schmutzpartikel. (Wirkungsweise siehe 1.3.) Bleichmittel 3. Versuch: Bleichmittel [7] Reagenzglas, Reagenzglasständer, Pipetten, Spatel Blaue Tinte, Waschmittel mit Bleichmittel, Wasser Entfärbung der farbigen Lösung nach kurzer Zeit. Auswertung: Die in Vollwaschmitteln enthaltenen Bleichmittel bestehen überwiegend aus Natriumperborat und Natriumpercarbonat. Diese spalteten in wässrigen Lösungen Wasserstoffperoxid ab. Der dabei freiwerdende Sauerstoff wirkt oxidierend, zerstört die Farbstoffe und wirkt dadurch bleichend. [3] 4

5 Enzyme [4] Die Enzyme sorgen für die Entfernung hartnäckiger organischer Verschmutzungen, wie etwa Eiweißstoffe Optische Aufheller 4. Versuch: Optische Aufheller [7, 8] Reagenzgläser, Reagenzglasständer, UV-Lampe, Spatel Verschiedene Waschmittel, Wasser Waschmittel mit optischen Aufhellern erkennt man an ihrer blauen Fluoreszenz im UV- Licht. Auswertung: Optische Aufheller basieren auf dem fluoreszierenden Effekt. Hierbei wird ultraviolettes Licht absorbiert und blaues Licht reflektiert. Dieses bildet die Komplementärfarbe der gelblich verfärbten Wäsche. Diese erscheint dadurch strahlend weiß und wird als sauber empfunden. Damit dieser Effekt auch nach dem Waschen noch sichtbar ist, lagern sich die optischen Aufheller auf den Wäschefasern ab. 3. Lehrplanbezug In der Grundschule von Bayern wird das Thema Waschmittel in der 1. Klasse im Rahmen des Lernfeldes Ich und meine Erfahrungen thematisiert. [9] Hierbei wird beim Themenbereich Wasser als Lösungsmittel auch näher auf Waschmittel eingegangen. [9] Hier sollten die Schüler/innen lernen, dass man mit Hilfe von Wasser Schmutz lösen kann. Auch wird thematisiert, dass es verschiedene Stoffe gibt, die helfen, den Schmutz in den verschiedensten Formen zu beseitigen. Explixit kann man hier die Waschmittel aufgreifen und ihre Effektivität in Zusammenhang mit Schmutzbeseitigung erproben. [9] Folglich werden die Kinder an erste chemische Arbeitsweisen, aber auch an chemische Thematiken, die den Alltag betreffen, herangeführt und somit wird eine Basis für den späteren Chemieunterricht gelegt. In bayerischen Realschulen wird das Thema Waschmittel in der 10. Jahrgangsstufe unter dem Themengebiet Maßgescheiderte Stoffe in Technik und Alltag behandelt (Chemie I (mathematisch-naturwissenschaftlich-technischer Zweig) 10.4 / Chemie II (wirtschaftlicher Zweig) / III (fremdsprachlicher oder musisch-gestaltend oder hauswirtschaftlicher oder sozialer Zweig) 10.7). [10] Den Schülerinnen und Schülern gilt es, am Beispiel waschaktiver Substanzen, zu verdeutlichen, welch große alltägliche Bedeutung chemische Syntheseprodukte haben. Auch die Probleme in Bezug auf die Verwendung und Entsorgung derselbigen sollen im Unterricht thematisiert werden. So erwerben die Lernenden elementare Kenntnisse bezüglich waschaktiver Substanzen, des Waschvorganges, der Grenzflächenspannung und des Waschmittels als Multikomponentengemisch. [10] 5

6 4. Literatur [1] Tausch, M./ von Wachtendonk, M.: Chemie SII Stoff- Formel- Umwelt, C.C. Buchner, Bamberg, 1993, S [2] Schormair, C. / Zimmermann, I.: Akademie für Lehrerbildung und Personalführung Dillingen, Naturwissenschaften in der Grundschule, Schwerpunkt Chemie und Physik, Akademiebericht Nr. 404, Dillingen, 2005, S.128, 129. aus: Press, H. J.: Spiel, das Wissen schafft, 13. Auflage, Ravensburger-Verlag, Ravensburg, 2003, Versuch 111. [3] Dietrich, V.: Vom Waschen. Naturwissenschaften Biologie, Chemie, Physik, 1. Auflage, Volk und Wissen Verlag GmbH & Co., Berlin, 2000, S. 15, 20, 23, 25, 30, 33, 34. [4] Schwedt, G.: Was ist wirklich drin?, Wiley-VCH-Verlag, Weinheim, 2006, S [5] (Stand: ); zitiert nach Blume R.: Chemie für Gymnasien, Organische Chemie Themenheft 1. Cornelsen-Verlag, Berlin, 1994, 38. [6] (Stand: ) [7] (Stand: ) [8] Dietrich, V.: Chemie in der Schule 42 (6) (1995), S [9] Lehrplan für die bayerischen Grundschule, Verlag J. Maiss GmbH, München, (Stand: ) [10] (Stand: ) 6

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