Seife und Tenside: Struktur und Eigenschaften

Durch das Kochen mit alkalischen Lösungen kann aus bekannten Fetten wie Olivenöl oder Rindertalg Seife hergestellt werden. Dieser Vorgang nennt sich Seifensieden. Fette sind Gemische von verschiedenen Estern von Glycerin mit unterschiedlichen Fettsäuren. Diese Glycerinester reagieren dann mit Natron- oder Kalilauge zu Glycerin und den Alkalisalzen der im Fett gebundenen Fettsäuren - den Seifen. Genau genommen ist dies eine alkalische Esterspaltung, welche auch Verseifung genannt wird.
Weil die Fette Gemische von verschiedenen Glycerinestern sind, fällt bei der Verseifung auch ein Gemisch aus Alkalisalzen an. Es unterscheiden sich auch die Eigenschaften von Seifen, je nachdem, welches Gegenion vorhanden ist. Wenn die Esterspaltung zum Beispiel mit Natronlauge erfolgt, entstehen feste Kernseifen. Beim Erhitzen mit Kalilauge bilden sich flüssige Schmierseifen.

In der Industrie geschieht die Seifenherstellung durch Hydrolyse, mit heissem Wasserdampf und unter hohem Druck. Die dabei entstehenden Fettsäuren sind wasserunlöslich und trennen sich deshalb einfach vom wasserlöslichen Glycerin. Danach werden die Fettsäuren mit Natronlauge oder Natriumcarbonat neutralisiert. Für Feinseife werden ausserdem Parfümöle, Farbstoffe und hautpflegende Stoffe zugegeben.

Struktur

Die Waschwirkung von Seife ist der charakteristischen Struktur von Fettsäure-Anionen zu verdanken. Sie bestehen aus einem polaren und einem unpolaren Teil. Der unpolare Schwanz ist die Alkylgruppe. Sie ist lipophil und somit gleichzeitig hydrophob. Das heisst soviel als dass sie Fett liebend aber wasserabweisend ist. Den negativ geladenen Kopf bildet die Carboxylatgruppe. Sie ist gleichzeitig hydrophil und lipophob, also wasserliebend und Fett abweisend.

Chemie; Fette und Tenside; 3. Gymi; Seife und Tenside: Struktur und Eigenschaften — 1. polar (hydrophil, lipophob)
2. unpolar (lipophil, hydrophob)

Verbindungen, deren Moleküle diese Struktur haben, verhalten sich sogenannt amphiphil und werden allgemein als Tenside bezeichnet. Sie lösen sich sowohl in polaren Lösungsmitteln wie Wasser als auch in unpolaren Lösungsmitteln wie Öl gut.

Wasser hat eine grosse Oberflächenspannung, wegen seiner starken Wasserstoffbrücken zwischen den Wassermolekülen. Gibt man dem Wasser jedoch ein Tensid bei, bildet sich an der Oberfläche der Lösung eine monomolekulare Tensidschicht aus. Der hydrophile Teil der Tensidschicht orientiert sich dabei nach unten, also zur Wasseroberfläche, und der hydrophobe Teil ragt aus dem Wasser heraus. Die Tensidmoleküle schwächen den Zusammenhalt des Wassers an der Oberfläche und somit wird die Oberflächenspannung verringert.

Wenn mehr Tenside im Wasser sind, als sich an der Oberfläche sammeln können, dann bilden sie sogenannte Mizellen. In diesen Kugel- oder Stabförmigen Mizellen weisen wiederum die wasserliebenden Teile nach aussen zum Wasser, die wasserabweisenden Teile diesmal nach innen zueinander.

Chemie; Fette und Tenside; 3. Gymi; Seife und Tenside: Struktur und Eigenschaften — 1. Tensidmoleküle an der Wasseroberfläche
    2. Micelle
    3. einzelne Tensidmoleküle

Dasselbe wie an der Wasseroberfläche, also im Normalfall der Grenze zwischen Wasser und Luft, passiert auch an der Grenze zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten. Es bildet sich eine sogenannte Grenzflächenspannung aus, wobei wiederum die hydrophilen Teile dem Wasser zu- und die hydrophoben Teile dem Wasser abgewendet sind.

Eigenschaften

Emulgieren

Weil die Tensidmoleküle mit Wasser- als auch mit Fettmolekülen in Wechselwirkung treten können, wirken sie als sogenannte Emulgatoren. Das heisst, sie stabilisieren nicht-homogene Stoffgemische aus nicht mischbaren Stoffen und verhindern ihre Entmischung. Je nachdem welches Tensid verwendet wurde, bildet sich eine Öl-in-Wasser-Emulsion, bei der sich Öltröpfchen im Wasser verteilen oder umgekehrt eine Wasser-in-Öl-Emulsion.

Dispergieren

Tenside erlauben auch die Verteilung von unlöslichen Feststoffen in einer Lösung. Diese Lösung wird dann Suspension genannt. Hydrophobe Partikel werden dabei in Mizellen eingeschlossen. Die Mizellen schweben im Wasser und stossen sich gegenseitig ab. Sie sind in der ganzen Lösung fein verteilt und können sich beim Waschen nicht an Textilfasern anlagern. Die Vorgänge des Emulgierens bzw. Suspendierens und die anschliessende Verteilung der Mizellen werden unter dem Begriff Dispergieren zusammengefasst.

Benetzen

Textilfasern haben hydrophobe Eigenschaften, da sie aus unpolaren Molekülen aufgebaut sind. Schmutzpartikel sind auch meist hydrophob. Die grenzflächenaktiven Tensidmoleküle lagern sich dann so an die Textilfasern an, dass der hydrophobe Teil der Tensidmoleküle zur Faser bzw. zum Schmutz und der hydrophile Teil zum Wasser weist. Dadurch werden die hydrophoben Fasern benetzt. Die Tensidlösung kann so leichter in das Textilgewebe eindringen und Schmutz herausspülen.

Schaumbildung

In Tensidlösungen ist eine Schaumbildung möglich. Jede Seifenblase bildet dabei einen von einer dünnen Wasserschicht umschlossenen Luftraum. Beide Flächen der Wasserschicht sind mit einer Lage Tensidmolekülen besetzt, die polaren Köpfe zeigen zueinander und halten die Seifenblase zusammen.