Eigenschaften von Tensidlösungen

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1 V17 Eigenschaften von Tensidlösungen Fach Klasse Überthema Feinthema Zeit Chemie Q4 Grenzflächenaktive Substanzen Eigenschaften von Tenisden 30 Minuten Zusammenfassung Bei dem Versuch werden die Eigenschaften der Tenside untersucht. Dazu wird eine mit Pfeffer bedeckte Wasseroberfläche vor und nach Zugabe von Spülmittel verglichen, eine auf der Wasseroberfläche schwimmende Büroklammer vor und nach Zugabe von Spülmittel beobachtet und ein Öl-Wasser-Gemisch vor und nach Zugabe von Spülmittel untersucht. Einordnung in den Unterricht 1 Der Versuch ist nach dem hessischen Lehrplan G8 der Qualifikationsphase 4 dem Wahlthema angewandte Chemie zuzuordnen. Dort kann er zum Unterrichtsinhalt Grenzflächenaktive Substanzen durchgeführt werden. Da es um die Eigenschaften von Tensiden geht, passt er perfekt zum Lehrplanunterpunkt Eigenschaften und Struktur von Seifen/synthetischen Tensiden. Der Versuch kann demnach im Anschluss an die erstellung einer Seife aufgegeben werden. Besondere fachliche Vorkenntnisse benötigen die SuS für die Durchführung des Versuchs und dessen Verständnis nicht. Sie haben bereits in 9G.1 über Wasser sowie dessen Aufbau und Eigenschaften gesprochen. Der Begriff der Oberflächenspannung ist eventuell einigen SuS aus dem Alltag schon bekannt. 1 Vgl. irt, A.: Lehrplan Chemie (2010).

2 Der Versuch Die Durchführung 2 Abbildung 1: Übersicht über die Materialien. a) Ein Gefäß mit großem Durchmesser wird mit Wasser gefüllt. Nun wird etwas Pfeffer auf die Wasseroberfläche gestreut. Als nächstes wird ein Tropfen Spülmittel in die Mitte auf die Oberfläche getropft. b) Das Gefäß wird erneut mit Wasser gefüllt, sodass bei seitlichem Blick auf dieses, eine Wasserkuppel zu erkennen ist. Nun wird vorsichtig eine Büroklammer auf die Wasseroberfläche gelegt. Anschließend wird ein Tropfen Spülmittel auf die Oberfläche getropft. c) In ein Schnappdeckelglas werden gleiche Mengen an Wasser und Öl gegeben. Das Gläschen wird verschlossen und geschüttelt. Nach 2 Minuten wird nun ein Tropfen Spülmittel dazu gegeben und erneut geschüttelt. Die Beobachtung a) Die Wasseroberfläche wölbt sich leicht über die Öffnung des Gefäßes. Der Pfeffer bedeckt zu Beginn gleichmäßig die gesamte Wasseroberfläche. Bei Zugabe des Spülmitteltropfens werden die Pfefferkörner in alle Richtungen verdrängt. 2 Vgl. Raabe, J.: Eigenschaften von Tensidlösungen. In: RAAbits Chemie II/. Stuttgart S. 7.

3 Abbildung 2: Links: Wasseroberfläche vor Zugabe von Spülmittel. Rechts: Nach Zugabe von Spülmittel. b) Wird die Büroklammer auf die Wasseroberfläche gelegt, kann beobachtet werden, wie die Klammer auf der Wasserkuppel schwimmt, ohne dass sie untergeht. Wird ein Finger in die Oberfläche getaucht, so bleibt die Klammer dennoch an der Oberfläche. Bei Zugabe des Spülmitteltropfens sinkt die Klammer sofort auf den Grund des Gefäßes. Abbildung 3: Büroklammer schwimmt auf der Wasseroberfläche.

4 Abbildung 4: Bei Zugabe von Spülmittel, sinkt sie auf den Boden des Glases herab. c) Wird das Schnappdeckelgläschen mit Öl und Wasser befüllt, bilden sich zwei voneinander getrennte Phasen aus. Auch beim Schütteln ist nur eine kurzzeitige Vermischung dieser zu beobachten. Bei Zugabe von Spülmittel und erneutem Schütteln lässt sich die Ausbildung einer stabilen Emulsion erkennen. Diese ist so stabil, dass sie auch nach 10 Minuten noch vorhanden ist. Abbildung 5: Links: Öl und Wasser. Mitte: Vermischung von Öl und Wasser, wobei eine kurzzeitige Emulsion entsteht. Rechts: Zugabe von Spülmittel zu dem Öl und Wasser-Gemisch. Entstehung einer stabilen Emulsion.

5 Entsorgung Die Lösungen können in den Abfluss entsorgt werden. Fachlicher intergrund Das Spülmittel gehört zum Alltag des Abwaschens. Die darin enthaltenen waschaktiven Substanzen nennen sich Tenside. Finde heraus wie sie aufgebaut sind! Die während der Versuchsdurchführung beobachteten Effekte sind auf die allgemeine Struktur und die Eigenschaften von Tensiden zurückzuführen. Um die Funktion von Tensiden zu verstehen, muss zunächst deren Aufbau betrachtet und verstanden werden. Tenside bestehen zum einen aus einer hydrophoben Kohlenwasserstoffkette, dem Alkylrest, und zum anderen aus einem hydrophilen Kopfteil. 3 unpolar polar hydrophob hydrophil Wie verhalten sich Tenside, sobald sie in Wasser gelöst werden? Was ist eine Micelle? Werden Tenside in Wasser gelöst, lagern sie sich an der Phasengrenze zwischen Luft und Wasser an. Die einzelnen Tensidmoleküle sind in der Grenzfläche so angeordnet, dass ihr hydrophober Alkylrest in die Luft zeigt, da dieser sich nicht in Wasser löst, und die hydrophile Gruppe in die Wasseroberfläche eintaucht. 4 3 Vgl. Wollrab, A.: Organische Chemie, eine Einführung für Lehramts- und Nebenfachstudenten. 3., ergänzte Auflage. eidelberg S Vgl. Wollrab, A.: Organische Chemie, eine Einführung für Lehramts- und Nebenfachstudenten. 3., ergänzte Auflage. eidelberg S. 627.

6 Luft Wasser Sobald die gesamte Grenzfläche mit Tensidmolekülen benetzt ist, tauchen weitere Teilchen in die wässrige Phase ab. Dort lagern sich mehrere Tensidmoleküle zu sogenannten Micellen zusammen. Bei der Bildung dieser kugelförmigen Gebilde, lagern sich die hydrophoben Alkylreste zusammen. Die hydrophilen Gruppen zeigen nach außen hin zum Wasser und schirmen die unpolaren Reste von den polaren Wassermolekülen ab. 5 Wasser unpolar polar Micelle Öl So ist das gleiche Prinzip wie auch bei der Orientierung an der Grenzfläche realisiert, ganz nach dem Merksatz, Gleiches löst sich in Gleichem. Um die Strukturen der Micellen nachzuweisen, die in ihrer Größe kolloidalen Teilchen entsprechen, wird die Entstehung eines Tyndall-Kegels, bei Bestrahlung der Seifenlösung mit Lichtstrahlen genutzt. Sind Micellen in der Lösung vorhanden, so wird der Lichtstrahl durch Reflexion an den Micellen stärker gestreut. 6 5 Vgl. Wollrab, A.: Organische Chemie, eine Einführung für Lehramts- und Nebenfachstudenten. 3., ergänzte Auflage. eidelberg S Vgl. Wollrab, A.: Organische Chemie, eine Einführung für Lehramts- und Nebenfachstudenten. Dritte, ergänzte Auflage. eidelberg S. 627.

7 Versuche, anhand deines herausgefundenen Wissens über Tenside, die einzelnen Versuchsteile zu erklären! a) Was geschieht mit Pfeffer, sobald ein Tropfen Spülmittel auf die Wasseroberfläche gegeben? Wird nun wie in Versuchsteil a) etwas Pfeffer auf die Wasseroberfläche gegeben, so schwimmt der Pfeffer aufgrund der Oberflächenspannung des Wassers auf der Grenzfläche Wasser/Luft. Diese Oberflächenspannung des Wassers, kommt dadurch zustande, dass die auf die Wassermoleküle wirkenden Kräfte an der Grenzfläche nur in Richtung Wasser wirken, nicht aber in Richtung der Gasphase. Innerhalb des Wassers hingegen bilden sich zwischen den einzelnen Wassermolekülen, nach allen Seiten gleich Wasserstoffbrückenbindungen aus. Zudem ziehen sich die Wassermoleküle durch ihren starken Dipolcharakter nach allen Seiten gleichstark an, sodass sich insgesamt die Kräfte dort gegenseitig aufheben. 7 O O O O O O O O O O O O O O Durch die Kraft der Oberflächenspannung wird auch erklärt, warum ein leichter, hydrophober Gegenstand in Wasser nicht absinkt, obwohl dessen Dichte höher ist. 8 Auch das Phänomen der Tropfenbildung von Wasser lässt sich mit der Oberflächenspannung erklären. Die Form eines Wassertropfens ist besonders günstig, da eine solche kugelähnliche Form eine geringe Oberfläche aufweist, was energetisch am günstigsten ist. 7 Vgl. Wollrab, A.: Organische Chemie, eine Einführung für Lehramts- und Nebenfachstudenten. Dritte, ergänzte Auflage. eidelberg S Vgl. Wollrab, A.: Organische Chemie, eine Einführung für Lehramts- und Nebenfachstudenten. Dritte, ergänzte Auflage. eidelberg S. 628.

8 Wird nun etwas Seife, auf die Oberfläche des Wassers gegeben, so ordnen sich die Tensidmoleküle wie beschrieben in der Grenzfläche an und stehen parallel zueinander. Dadurch wird der Zusammenhalt der Wassermoleküle gestört und die Oberflächenspannung herabgesetzt. Zudem stoßen sich die einzelnen Tensidmoleküle aufgrund ihrer geladenen Gruppen ab. Dieser Effekt ist bei dem Versuch gut zu sehen, denn die Tenside reißen die Pfeffer-Teilchen mit sich mit, wodurch der Eindruck des auseinander spritzenden Pfeffers zustande kommt. 9 b) Wie verhält es sich mit der Bürokammer? Im zweiten Versuchsteil b) sinkt die Büroklammer, sobald etwas Tensidlösung auf die Wasseroberfläche getropft wird. Auch hier wird die Oberflächenspannung des Wassers durch Zugabe von Tensiden herabgesetzt, wodurch die Büroklammer nicht mehr an der Grenzfläche gehalten werden kann und auf den Boden absinkt. Zu Beginn des Versuchs schwimmt die Büroklammer auf der Oberfläche, da die nach innen in die Lösung gerichtete Kraft, die aus den fehlenden Wechselwirkungen an der Grenzfläche resultiert, größer ist als die Gewichtskraft der Büroklammer. Bei Verwendung einer Büroklammer ist dieser Effekt des Absinkens deutlicher als bei den Pfefferkörnern. Bei beiden Versuchen wirken aber die gleichen Kräfte. 10 c) Beschreibe die Mischbarkeit von Wasser und Öl vor und nach Zugabe des Spülmittels! Erkläre den Begriff Emulsion! Im dritten Versuchsteil c) wird die Fähigkeit von Tensiden, als Emulgatoren zu wirken, gezeigt. Öl und Wasser sind nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten. Beim Schütteln entstehen kurzweilige Emulsionen. Bei Zugabe von Seifen oder Tensiden zu solchen Gemischen bleiben Emulsionen jedoch lange bestehen. Dies lässt sich durch Micellenbildung erklären. Durch das Einschließen von unpolaren Öltropfen im Micelleninnern werden die Öltröpfchen fein in der wässrigen Lösung verteilt und so in der wässrigen Phase gehalten. Im übertragenden Sinne wird durch den Versuch auch die Waschwirkung von Tensiden erläutert. Denn auch beim Waschen werden die unpolaren Verschmutzungen von den Kleidungsoberflächen gelöst, indem sich die Tensidmoleküle an der Grenzfläche von 9 Vgl. Wollrab, A.: Organische Chemie, eine Einführung für Lehramts- und Nebenfachstudenten. Dritte, ergänzte Auflage. eidelberg S Vgl. Wollrab, A.: Organische Chemie, eine Einführung für Lehramts- und Nebenfachstudenten. Dritte, ergänzte Auflage. eidelberg S. 628.

9 Kleidung und Waschlösung anreichern. Durch ihren unpolaren Alkylrest wechselwirken die Tensidmoleküle mit den unpolaren Schmutzpartikeln, tragen diese sozusagen in kleinen Partikeln ab, welche dann in Form von Micellen in der Waschlösung abtransportiert werden können. 11 Abbildung 6: Reinigungswirkung beim Waschen Vgl. Wollrab, A.: Organische Chemie, eine Einführung für Lehramts- und Nebenfachstudenten. Dritte, ergänzte Auflage. eidelberg S Vgl. etzel, M.: Chemie bei errn Wiedemer. Waschmittel und Tenside- Praktikum. In: Delphilernen.de! URL: Letzter Zugriff am:

10 Klassifizierung der Tenside Die Tenside werden hauptsächlich in die folgenden vier Gruppen aufgeteilt: Tabelle Fehler! Kein Text mit angegebener Formatvorlage im Dokument.-1: Übersicht über die Einteilung der Tenside. Tensidgruppe Schematischer Aufbau Funktionelle Gruppe Anionische Tenside - SO 3 - Kationische Tenside - R 4 N + - COO - -,, - OSO 3 Nichtionische Tenside -O- Amphotere Tenside - R 4 N +, - COO - Diese Einteilung erfolgt anhand der Ladung und der Art der hydrophilen Gruppe. Zu den anionischen Tensiden zählen zum Beispiel die echten Seifen. Als funktionelle Gruppe weisen sie Carboxylat-, Sulfonat-, Sulfat- oder Phosphonatgruppe auf. Sie stellen die am häufigsten verwendeten Tenside in Waschmitteln dar. 13 Kationische Tenside besitzen quartäre Ammoniumgruppen in ihrem polaren Molekülteil. Durch ihre antistatische Wirkung finden sie häufig Anwendung in Weichspülern. 14 Nichtionische Tenside sind, wie der Name verrät, ungeladen, also elektrisch neutral. Sie weisen zum Beispiel Polyetherketten auf. Mit ansteigender Temperatur bilden sie Emulsionen und die Waschkraft nimmt ab. Amphotere Tenside können je nach p-wert wie Kationen- oder Anionentenside wirken, sie besitzen sowohl anionische als auch kationische Gruppen. Sie besitzen desinfizierende Wirkung werden jedoch selten in der Waschmittelproduktion eingesetzt, da sie teuer sind. Je nach Verwendungszweck kann demnach entschieden werden, welches Tensid am besten dafür geeignet ist Vgl. Wollrab, A.: Organische Chemie, eine Einführung für Lehramts- und Nebenfachstudenten. Dritte, ergänzte Auflage. eidelberg S Vgl. Ebd. 15 Vgl. Wollrab, A.: Organische Chemie, eine Einführung für Lehramts- und Nebenfachstudenten. Dritte, ergänzte Auflage. eidelberg S. 628.