Waschmittel und Waschvorgang

Universität Regensburg Lehrstuhl für Anorganische Chemie Übungen im Vortragen mit Demonstrationen Sommersemester 2011 Dozentin: Dr. Andratschke Referentinnen: Bodenschatz, Katharina; Meier, Stefanie Datum: 06.07.2011 Waschmittel und Waschvorgang 1) Geschichtliches: Von der Seife zum Waschmittel Das Waschen der Wäsche ist ein alltäglicher Vorgang, den heute die Waschmaschine erledigt. Das war aber nicht immer so. Dass Wasser alleine zur Reinigung nicht genügt, da es beispielsweise keine unpolaren Stoffe, wie Fette löst, war schnell klar. Um diese nicht wasserlöslichen Verunreinigungen in die Waschlauge zu bringen, werden also Stoffe eingesetzt, die zwischen unlöslichen Stoffen und dem Wasser vermitteln. Auf einer 4.500 Jahre alten sumerischen Keilschrifttafel wird über ein schmierseifenartiges Reinigungsmittel für Gewebe aus Öl und Pottasche (K 2 CO 3 ) berichtet. Auch die Ägypter verewigten 600 v. Chr. auf Papyrus detaillierte Seifenrezepte: sie stellten Seifen aus pflanzlichen und tierischen Fetten und Soda (Na 2 CO 3 ) (kristallisierte aus Salzseen aus) her. Durch Erhitzen natürlicher Fette in alkalischer Lösung entstehen also Seifen. Als Rohstoffe für die Seifenherstellung dienen die in pflanzlichen und tierischen Fetten als Triglyceride gebundenen höheren Fettsäuren, die durch Verseifung in freier Form gewonnen werden. [1] Bei Verwendung von Natriumsalzen, z. B. Soda (Na 2 CO 3 ), erhält man Kernseife, mit Kaliumsalzen, z. B. Pottasche (K 2 CO 3 ), Schmierseife. [2] Mit der Zeit entstanden weltweit Zentren der Seifenherstellung. Die Seife hat aber einige Nachteile. - Hartes Wasser enthält Calcium- und Magnesiumsalze. Die Ca 2+ - und Mg 2+ -Ionen reagieren mit den Fettsäure-Anionen (bzw. mit den Seifen-Anionen) zu schwerlöslichen Seifen, so dass diese keine Schmutzteilchen mehr in Lösung bringen können. Es entsteht ein Niederschlag, der sich im Gewebe festsetzt und einen Grauschleier hervorruft. - Hinzu kommt, dass Seifen bei Reaktion mit Wasser Hydroxidionen bilden. Die Seifen sind korrespondierende Basen schwacher Säuren. In saurer Lösung erfolgt deshalb vollständige Protonierung und sie verlieren ihre charakteristischen Eigenschaften. Beim Waschvorgang fallen dann schwerlösliche Fettsäuren aus. [2] So begann zu Beginn des 20. Jahrhunderts die Entwicklung der Waschmittelchemie. 1907 kam mit Persil der Firma Henkel der Urtyp der heutigen Waschmittel in den Handel. [1] Aufgrund der vielfältigen negativen Eigenschaften bezüglich der Waschwirkung sind die Seifen aber mehr und mehr aus den modernen Waschmitteln als Hauptkomponente verschwunden. Synthetische Tenside haben die Aufgaben der Seifen im Waschprozess übernommen. Erreichen aber Waschmittel wirklich ein besseres Ergebnis als Seifen? Versuch 1: Seife vs. Waschmittel [in Anlehnung an 2] - 2 große Bechergläser - 2 beschmutzte Stoffreste (z. B. mit Ruß) - Seifenlösung Eines der beiden Stoffreste wird in der Seifenlösung, das andere in der Waschmittellösung gewaschen. Der Stoffrest, der in der Waschmittellösung gewaschen wurde, ist sauberer 1

geworden als der, der in der Seifenlösung gewaschen wurde. Waschmittel enthält zwar auch Seife, aber noch viele weitere Bestandteile, die das Waschen erleichtern. (s. u.: 5. Bestandteile) 2) Definition von Tensiden Tenside sind Substanzen, die die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit oder die Grenzflächenspannung zwischen zwei Phasen herabsetzen, und somit als Lösungsvermittler wirken. Sie bestehen meist aus einem polaren/ionischen Kopf und einem unpolaren Schwanz (z. B. einer Alkylkette). (s. Abb. 1) [3] Wie auch in Abbildung 1 ersichtlich, gibt es verschiedene Arten von Tensiden: [3] nichtionische Tenside anionische Tenside kationische Tenside amphotere Tenside Abb. 1 verschiedene Arten von Tensiden [3] Im Wasser ordnen sich Tenside, wie in den Abbildungen 2 und 3 gezeigt, an: der unpolare, hydrophobe Teil ragt aus dem Wasser heraus, der polare Teil bildet mit den Wassermolekülen Wasserstoffbrückenbindungen und befindet sich damit unter der Wasseroberfläche. [3] Micellen bilden sich erst dann aus, wenn an der Wasseroberfläche keine Tensidmoleküle mehr Platz finden. Kugelmicelle nennt man eine runde Anordung von Tensiden, wobei sich die unpolaren Reste im Inneren befinden, die polaren Köpfe schotten das Wasser ab. [3] Abb. 2 Anordnung der Tenside an der Wasseroberfläche [3] Abb. 3 Anordnung der Tenside im Wasser [3] 3) Eigenschaften von Tensiden Wasser besitzt eine sehr große Oberflächenspannung, da die Moleküle durch Wasserstoffbrückenbindungen stark aneinander gebunden sind. Bei Zugabe von Tensiden ordnen sich diese an der Wasseroberfläche, wie in der Abbildung 2 zu sehen ist, an. Somit können Wasserstoffbrückenbindungen nicht mehr ungehemmt ausgebildet werden und die Oberflächenspannung wird erniedrigt. [3] 2

Versuch 2: Oberflächenspannung des Wassers [2, 4] - 2 Bechergläser mit Wasser gefüllt - Büroklammer - Holzmehl Die Büroklammer wird vorsichtig (evtl. mit Hilfe eines Papiertuchs) auf die Wasseroberfläche gelegt, in das andere Becherglas wird gleichmäßig Holzmehl auf der Wasseroberfläche verteilt. Anschließend gibt man eine konzentrierte Waschmittellösung zu. Die Büroklammer und das Holzmehl schwimmen auf der Wasseroberfläche. Bei Zugabe der Waschmittellösung gehen die Büroklammer und das Holzmehl sofort unter. Die Oberflächenspannung des Wassers ist so groß, dass die Büroklammer und das Holzmehl auf der Oberfläche schwimmen und nicht untergehen. Das Tensid bewirkt eine Verringerung der Oberflächenspannung, was das Absinken der Büroklammer und des Holzmehls zur Folge hat. Versuch 3: Grenzflächenaktivität von Tensiden [2, 4] - Becherglas mit Wasser gefüllt - kleines Fläschchen mit Öl gefüllt Das Ölfläschchen wird geöffnet auf den Boden des Becherglases gestellt, so dass es vollständig untertaucht. Anschließend gibt man Waschmittellösung zu. Zuerst bleibt das Öl in dem Fläschchen, erst bei Zugabe der Waschmittellösung kommt es aus dem Fläschchen an die Wasseroberfläche. Da Öl eine geringere Dichte als Wasser hat, müsste dieses eigentlich an die Wasseroberfläche schwimmen. Wegen der hohen Grenzflächenspannung zwischen den beiden Phasen bleibt das Öl in dem Fläschchen. Erst bei Zugabe des Tensids wird die Grenzflächenspannung herabgesetzt und das Öl folgt der Auftriebskraft an die Oberfläche des Wassers. Der unpolare Schwanz des Tensids ist hydrophob, richtet sich demnach an der Phasengrenze in Richtung der organischen, unpolaren Phase bzw. des Schmutzteilchens. Der polare Kopf hingegen ist wegen seiner Hydrophilie dem Wasser zugerichtet. Somit wird eine Brücke an der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen geschaffen und die Grenzflächenspannung herabgesetzt. Man nennt Tenside grenzflächenaktiv. Versuch 4: Dispergiervermögen von Tensiden [2, 4] Geräte/Chemiekalien: - 2 Bechergläser mit Wasser gefüllt - Ruß - 2 Trichter mit Filterpapier - 2 Erlenmeyerkolben In beide Bechergläser wird Ruß gegeben, nur in eines Waschmittellösung. Danach wird kräftig umgerührt und beide Suspensionen werden filtriert. Das Filtrat der Suspension ohne Waschmittel ist farblos und klar, das Filtrat der Suspension mit Waschmittel ist grau getrübt. Da Ruß unpolar und Wasser polar ist, können zwischen den Teilchen keine Kräfte wirken. Das Tensid mit seinem polaren Kopf und dem unpolaren Rest kann die Ruß- und die Wasserteilchen miteinander verbinden. Kleine Rußpartikel können mit durch das Filterpapier gelangen, die Lösung ist getrübt. 3

Dispergiervermögen wird auch Schmutztragevermögen genannt. Ebenfalls als wichtige Eigenschaft von Tensiden ist das Emulgiervermögen zu erwähnen. Bei Schütteln von einem Wasser-Öl-Gemisch im Beisein von Tensiden lässt sich die Bildung einer Emulsion beobachten. Dabei werden die feinen Öltröpfchen in die Micellen eingeschlossen und setzen sich nicht sofort wieder an der Wasseroberfläche ab. [4] 4) Waschvorgang Tensidmoleküle ordnen sich, wie in der Abbildung 2 gezeigt ist, oben an der Wasseroberfläche an, wodurch das Verhalten der Wasseroberfläche verändert wird. Tensidmoleküle lagern sich mit den unpolaren Alkylresten an den hydrophoben Schmutz oder direkt auf der Faser an, so dass sowohl Schmutzteilchen als auch Faser von einer monomolekularen Tensidschicht umgeben werden. Der hydrophile Anteil der Tenside ragt dabei in Richtung wässriger Lösung, er wird hydratisiert. An der Grenze zwischen Schmutzteilchen und Faser bildet sich durch die Anordnung der Tensidmoleküle eine gleichsinnig geladene hydrophile Schicht aus. Diese Schicht führt zu einer elektrostatischen Abstoßung zwischen Schmutz und Faser. Dadurch wird der Schmutz von der Faser abgelöst. Eine Bewegung der Wäsche begünstigt das Ablösen des Schmutzes von der Faser ( Rotation der Trommel der Waschmaschine). Der Schmutz bleibt also dispergiert und wird in der Schwebe gehalten. Es entsteht eine Emulsion oder Suspension. [5] Diesen Waschvorgang zeigt schematisch Abbildung 4. Abb. 4 Waschvorgang [6] 5) Bestandteile der Waschmittel [7] Ein Waschmittel ist ein Stoffgemisch verschiedener Substanzen, die für das Waschen der Wäsche notwendig sind. Dabei hat jeder Inhaltsstoff seine spezielle Aufgabe im Waschprozess. Tenside: setzen die Oberflächenspannung des Wassers herab, bewirken eine bessere Ablösung von Schmutz Enthärter: binden Mg- und Ca-Ionen Enthärtung des Wassers, verhindern Kalkablagerungen auf den Textilfasern und in der Waschmaschine Bleichmittel: entfernen farbigen Fleckenschmutz durch freiwerdenden aktiven Sauerstoff, hellen Wäsche auf, entfernen Geruchsstoffe, tragen zur Hygiene der Wäsche bei. Die Bleichwirkung steigt mit ph-wert und Temperatur. Folglich müssen für eine ausreichende Bleichwirkung bei Waschtemperaturen unter 60 C Aktivatoren zugegeben werden. Bleichmittelaktivatoren: erhöhen die Wirksamkeit des Bleichmittels bei niedrigen Temperaturen Enzyme: entfernen hartnäckige Eiweiß-, Fett- und Stärkeflecken (Amylase [Stärke spalten], Cellulase, Protease [Eiweiß spalten]) Stellmittel: verbessern die Rieselfähigkeit, Löslichkeit und Lagerfähigkeit des Waschmittels, verhindern das Verklumpen des Waschmittels Optische Aufheller: erhöhen den Weißgrad der Wäsche und verhindern das Vergilben durch teilweise Umwandlung von UV-Strahlung in sichtbares blaues Licht Vergrauungsinhibitoren: verhindern die Wiederablagerung von Schmutz- und Kalkteilchen auf der Wäsche 4

Versuch 5: optische Aufheller [8] - UV-Lampe - 3 Petrischalen - Vollwaschmittellösung - Weißwaschmittellösung - Blackwaschmittellösung Alle drei Waschmittellösungen werden unter das UV-Licht gehalten. Die Vollwaschmittellösung fluoresziert am stärksten, die Weißwaschmittellösung etwas weniger stark, die Blackwaschmittellösung fast gar nicht. Optische Aufheller sind keine Bleichmittel, die vorhandene Farbstoffe zerstören, sondern sind selbst Farbstoffe. Sie fluoreszieren, d. h. sie wandeln die unsichtbaren ultravioletten Strahlen in längerwelliges und somit sichtbares, blaues oder blaugrünes Licht um. Dadurch wirkt der Gegenstand heller. Besonders deutlich wird dieser Effekt bei der Bestrahlung der Kleidung mit UV- Licht. 6) Umweltaspekt Eutrophierung: [4, 9] Durch zu hohe Temperaturen oder zu häufiges Waschen wird eine unerwünschte Anreicherung von Nährstoffen (Phosphaten) in Gewässern verursacht. Dies hat wiederum eine Überdüngung bzw. Überernährung der Pflanzen im Gewässer zur Folge, die sich deswegen zu schnell vermehren. Damit steigt auch die Menge an absterbenden Pflanzen an, die zu Boden sinken und sich dort zersetzen. Dabei wird mehr gelöster Sauerstoff aus dem Wasser benötigt, wie durch die Luft wieder aufgenommen werden kann. Dies hat Faulschlammbildung, verschlechterte Lebensbedingungen für Tiere, Gestank und Veralgung des Gewässers zur Folge. Dieser Effekt ist sowohl in stehenden als auch in fließenden Gewässern zu beobachten, wobei in Letzterem die Gefahr nicht so hoch ist. Abhilfe: Reduzierung der Phosphatkonzentration im Klärwerk durch Fällung des Phosphats mit Eisensalzen, besser ist jedoch eine Beschränkung des Einsatzes von Phosphaten (erfolgt auch bereits). Energieverbrauch: [4] Der Stromverbrauch beim Waschen hängt hauptsächlich von der Waschtemperatur ab. Für einen Waschgang bei 30 C benötigt man ca. 0,2 kwh (Kilowattstunden), bei 60 C hingegen braucht man schon 1 kwh. Abhilfe: Waschen bei niedrigeren Temperaturen mit Waschmitteln, die die gleiche Waschleistung auch bei niedrigen Temperaturen erzielen. Wasserverbrauch: [10] Nach wasserwirtschaftlichen Schätzungen braucht ein Deutscher pro Tag 30 l zum Wäsche waschen (im Vergleich: 40 l für Toilettenspülung, 20-40 l für Duschen). Abhilfe: Da Wasser immer kostbarer wird, versuchen Elektrohersteller die Energieeffizienzklassen der Waschmaschinen immer mehr zu erniedrigen, um so Wasser einsparen zu können. 7) Lehrplanbezug [11, 12] Zunächst findet sich das Thema Waschmittel bzw. der Waschvorgang im Lehrplan in der 5. Klasse im Fach Natur und Technik (NT). Dort wird es im Gebiet NT 5.1.2 Themenbereiche und Konzepte unter dem Gesichtspunkt Wasser behandelt. Weiterhin findet man in Klasse 11 im Fach Chemie (C) unter dem Punkt C 11.4 Fette und Tenside das Thema Waschmittel. Außerdem ist ein Wissenschaftspropädeutisches Seminar oder auch ein Projekt-Seminar zu 5

diesem Thema vorstellbar. Da für die Versuche keine gefährlichen Chemikalien oder wertvolle Geräte nötig sind, eigenen sich diese vor allem für Schülerversuche. Deswegen kann man sie gut bei Aktionstagen oder beim Tag der offene Tür von Schülern vorführen lassen. Außerdem haben sie durch den direkten Bezug zum Alltag einen erheblichen Vorteil, da sie leicht das Interesse der Schüler aller Jahrgangsstufen wecken. Noch nennenswert ist der Wow -Effekt, der hauptsächlich bei den Versuchen 2, 3 und 5 zu erwarten ist. 8) Literatur [1] Kummer, Thomas: Seifen und Waschmittel http://www.seifenundwaschmittel.de (Stand 22.08.2011) (s. Copyright-Bestimmung) http://www.uni-due.de/~hc0014/s+wm/geschichte/indexge.htm (Stand: 22.08.2011) [2] Prof. Dr. Volkmar Dietrich: Naturwissenschaften Vom Waschen, Volk und Wissen Verlag, Berlin, 2000, S. 15-17, 21, 23, 25, 28 [3] http://de.wikipedia.org/wiki/tenside (Stand: 25.10.2011) [4] Fertig ausgearbeitete Unterrichtsbausteine für das Fach Chemie, 1. Auflage, WEKA MEDIA GmbH, 2001, Bausteinsammlung 10, S. 5.1/10, 5.5/10 (Sekundärliteratur: [4.1] H. Raaf: Was enthält was?, Weltbild Verlag GmbH, Augsburg, 1994 [4.2]J. Bublath: Das Knoff hoff Buch, Wilhelm Heyne Verlag, München, 1994 [4.3]V. Dietrich: Chemie in der Schule 41, 1994; Vgl. [2] [4.1], [4.2] in der Uni nicht erhältlich, [4.3] nur andere Auflage als [2]) [5] Duden, Basiswissen Schule: Chemie-Abitur, 1. Auflage, Dudenverlag, 2004, S. 388 [6] http://commons.wikimedia.org/wiki/file:tensidundfeststoffe.png (Stand: 22.08.2011) [7] Duden, Basiswissen Schule: Chemie-Abitur, 2. Auflage, Dudenverlag, 2007, S. 391 [8] http://www.nat-working.uni-jena.de/pdf/thema_seifen_%20waschmittel.pdf (Stand: 22.08.2011) [9] http://de.wikipedia.org/wiki/eutrophierung (Stand: 26.07.2011) [10] http://de.wikipedia.org/wiki/wasserverbrauch (Stand: 05.07.2011) [11] http://www.isb-gym8-lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?storyid=26334 (Stand: 25.10.2011) [12] http://www.isb-gym8-lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?storyid=26195 (Stand: 25.10.2011) 6