Waschmittel und Tenside

Schlagwörter:
Arten von Waschmitteln, Geschichte (natürliche Tenside) Herstellung, Einteilung - nach Ladung der polaren Gruppe, Anwendungsbeispiele, Seife, Wirkungsweise und Verwendung, Experiment Tyndall-Effekt, Emulgiervermögen, Umweltaspekte, Enthärter und Komplexbildner, Referat, Hausaufgabe, Waschmittel und Tenside
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Referat

Waschmittel und Tenside

  • 15-20% anion / nichtionische Tenside
  • Enzyme: Spaltung v. organischen Nährstoffen (Eiweiß, Fette, KH) = Biokatalysatoren
  • bis zu 30% Enthärter (Builder)
  • Bleichmittel: Farb- + Geruchsstoffe durch Oxidation zerstört, Mikroorganismen abtöten
  • Bleichaktivatoren: setzen Tenside der Waschlauge herab für gute Aktivität des Bleichmittels
  • verschiedene Inhibitoren, Vergrauungs-, Verfärbungs-, Schaum-, Korrosions-, verhindern zB. saubere Faser während Waschen erneut beschmutzt oder bei Tragen, verringern Schaumbildung, Schaum unwichtig für Waschen, zu viel kann Waschen behindern
  • optische Aufheller (Weißtöner): kompensieren Gelbstich indem teilweise UV-Strahlung in sichtbares blaues Licht umwandeln
  • Duft- + Farbstoffe: Geruch Wäsche+ Aussehen Wachmittel verbessern
  • Füllstoffe: Natriumsulfat – Rieselfähigkeit, Dosierbarkeit

​Arten von Waschmitteln

  • Vollwaschmittel (30-95°C), meiste Textilien geeignet, pulverförmig, flüssig, gelförmig oder in Tab-Form
  • Buntwaschmittel (Color-), farbige Textilien bis 60°C
  • Waschmittel für Schwarzes
  • Feinwaschmittel (bis 30/40) schonend, keine optische Aufheller, keine Bleichmittel, mehr Enzyme
  • Spezialwaschmittel (Wolle, Seide, Spezielle Stofffasern)
  • Baukastenwaschmittel: Baukastensystem: Basiswaschmittel, dem je nach Bedarf mehr Enthärter bei hoher Wasserhärte oder mehr Bleichmittel bei farbigen Verschmutzungen zugegeben wird
  • Waschmittel für verschiedene Härtegrade: "Kampagne für intelligentes Waschen", drei verschiedene Waschmittel für die drei Wasserhärtegrade (weich, mittel, hart)

Achtung!

  • XXL-Packungen: gleicher Hersteller, aber groß nicht günstiger, pro Waschgang mehr verwenden um gleiche Waschwirkung erzielen, bzw. günstigere + weniger effektive Inhaltsstoffe
  • Füllstoffe: zB. Natriumsulfat, soll trocken halten, bessere Dosierbarkeit, keine Waschwirkung

​Tenside

Definition

= wasserlösliche organische Verbindungen, welche die Grenzflächenspannung (Oberflächenspannung) des Wassers herabsetzen, Unterscheidung: natürlich vorkommende, synthetische (im Labor hergestellte) T.

Bau

Streichholzmodell:

  • unpolarer hydrophober Teil (wasserabweisend) = lipophile (fettliebend) Schwanz, keine Ladung, meist langkettiger verzweigter oder unverzweigter Kohlenwasserstoff (Alkylrest)
  • polarer hydrophiler Teil (wasserliebend, fettmeidend) = Kopf
    → bifunktionelle Verbindungen - amphiphile (beides liebend) Verbindungen (durch polare und unpolare Gruppen geprägt)

Geschichte (natürliche Tenside) + Herstellung

  • vor über 2500 Jahren: Sumerer (heute südlicher Irak): seifenähnliche Substanz (Tontafel) (Holzasche, Öl)
  • Ägypter und Griechen, Germanen, Gallier, tensidartige Produkte, Rom: Arzt Claudius Galenos (131–201 n.Chr.) beschrieb reinigende Wirkung genauer
  • Mittelalter: Handwerk Seifensiederei
  • 17./18. Jahrhundert: Rohstoff: (Oliven)öl, Holz- und Pottaschen (CaCO3) → letztere knapp, bekannt: Soda (Na2CO3) kann CaCO3 ersetzen → natürl. Vorräte begrenzt → Entw. künstl. Sodaherst.
  • 1791: Nicolas Leblanc; (F): sythetische Herstellung Soda (Energieaufwand + Abfälle) aus Kochsalz, Schwefelsäure und Kalk
  • 1823: Michel Eugène Chevreul (F): klärte chemischen Abläufe beim Verseifungsprozess auf (Zusammenhang Struktur- Waschwirkung Seife), wissenschaftliche Basis für Tensidchemie
  • 1834: Friedlieb Ferdinand Runge (D): stellte Vorläufer modernen synthetischen Tenside her: Öl aus Schwefelsäure und Olivenöl
  • 1865: Ernest Solvay (Belgier): Solvay-Verfahren zur Soda-Herstellung; Seifen großtechnisch und preisgünstig produzieren
  • 1916: Fritz Günter: 1. synthet. T., seifenartige Substanz schäumte stark, wenn man mit Wasser vermischte → benetzende Wirkung einer Flüssigkeit deutlich erhöhen, „Nekal®“
  • schnelle Weiterentwicklung, Forschung → wirtschaftliche Bedeutung wuchs, moderne T. in 1 Hälfte 20. Jhdt. entw.
  • heute: Tensidchemie gehört zu den am besten erforschten und wissenschaftlich erschlossenen Gebieten

Einteilung - nach Ladung der polaren Gruppe

1. anionisch:

  • Kopf elektrisch negativ geladen + hydrophil
  • Hauptteil der Tenside in Wasch- und Reinigungsmitteln
  • wichtigste Vertreter heute: LAS (lineares Alkylbenzolsulfonat), SAS (sekundäres Alkylsulfonat), FAS (Fettalkoholsulfat)

2. kationisch:

  • Kopf elektrisch positiv, polare Gruppe meist quartäre Ammoniumgruppe → quartäre Ammoniumverbindungen (Quats) –salze (alle vier Wasserstoff-Atome der Ammonium-Gruppe durch organische Reste ersetzt)
  • Weichspüler, keine waschaktive Substanzen
  • einige biozide Wirkung (lebensvernichtende Stoffe) → Desinfektionsmittel
  • Haarspülmitteln → keine statische Aufladung

3. amphotere / ampholytische

  • Kopf: positive + negative Gruppe
  • polarer Teil: negativ meist geladene Carboxylat-Gruppe (-COO - ) und quartäre Ammoniumgruppe (NR4+)
  • wichtigste synthetische Vertreter: Betaine

4. nichtionisch:

  • Kopf trägt keine Ladung, besteht aus stark polaren Gruppe (beispielweise Hydroxy-, Ether- oder Amidgruppe), der hydrophobe Schwanz aus langkettigen Kohlenwasserstoffrest
  • wirken schon bei niedrigen Temperaturen
  • meiste Niotenside: abnehmende Löslichkeit mit steigender Temperatur
  • in Waschmitteln mit anionischen kombiniert → ähnliche Eigenschaften ergänzen optimal, Vorteile: nichtionische Tenside weniger härteempfindlich als anionische Tenside,hautfreundlicher als anionische Tenside, manche vollständig aus nachwachsenden Rohstoffen herstellbar, nicht toxisch und vollständig biologisch abbaubar

Anwendungsbeispiele:

  • katonische Tenside
    • Beispielprodukt: Weichspüler
  • anionische Tenside
    • Beispielprodukt: Shampoo (Natriumdodecylpoly(oxyethylen)sulfat (engl. sodium laureth sulfate)), Seife (Sodium Tallowate (Rindertalg), Sodium Cocoate (Natriumsalze von Kokos-Fettsäuren))
  • nichtionische Tenside
    • Handcreme (1-Octadecanol (Stearylalkohol)), Salbe (Polyoxyethylen (20) cetylstearylether)
  • amphotere Tenside
    • Shampoo (Cocamidopropylbetain (Kokosfettsäure-Amidopropylbetain) (engl. cocamidopropyl betaine))
  • natürlich vorkommende Tenside
    • Margarine, Seife (Lecithin (Emulgator))

Seife

= ganze Stoffgruppe, durch Verseifung (=Spaltung von Estern mit Wasser unter Einfluss basischer Substanzen)

  • traditionell hergestellte Seife zählt zu Tensiden
  • z.B bei Kernseife: negativ geladene Carboxylgruppe (COO-) + unpolarer Alkylrest

Seife als klassisches Tensid

= Natrium- oder Kalium-Salze von längerkettigen Fettsäuren

  • in modernen Waschmittel und zur Hautreinigung bedingt geeignet, kaum Verwendung
  • „seifenfrei“ (Seifenpackung, Waschprodukten) – klassische Seife durch synthetische Tenside ersetzt
  • Nachteile:
    • alkalische Reaktion: reagieren basisch in wässriger Lösung (Augenreizung, Haut (Säureschutzmantel zerstört), Naturfasern)
    • härteempfindlich: Bildung von z. B. : Hartes Wasser: viel gelöste Ca2+/ Mg2+ - Ionen
      durch Carbonatgleichgewicht: CaCO3 + H2O + CO2 Ca2+ + 2 HCO3-
      Ionen + Seifenanion → schwer lösliche Kalkseifen / Magnesiumseifen (Waschwirkung ↓, Vergrauung Textilien, brüchig, Qualitätsverlust)
    • Reaktion mit Säuren: säureempfindlich, mit Säuren reagieren zu wasserunlöslichen Fettsäuren (Waschwirkung ↓) (niedriger pH)

Wirkungsweise und Verwendung

  • Wasser trifft auf Luft: Grenzflächenspannung zwischen sog. Phasen: flüssig und fest (Berührungsfläche zwischen 2 getrennten Schichten), Oberflächenspannung zwischen fester/ flüssiger und gasförmiger Phase
  • Wasser: Dipolmolekülen, starke Anziehungskräfte, Wasserstoffbrückenbindung
  • Inneren: jedes Molekül von gleichen umgeben → gleiche Anziehung
  • an Oberfläche: Anziehungskräfte nach innen gerichtet, Wölbung (Grenzfläche so klein wie möglich), Wassertropfen Kugelgestalt (kleine Oberfläche)

Experiment Grenzflächenspannung:

  • Speiseöl in Wasser – Ausbildung zweier Phasen (Öl unpolar)
  • Vermischen: kurzzeitig Öltröpfchen → (Öl-in-Wasser-Emulsion) (O/W-Emulsion), aber Trennung – durch Grenzflächenspannung, Kraft wirkt so dass zwischen 2 Phasen Grenzfläche möglichst klein ist

Experiment Oberflächenspannung:

  • Büroklammer schwimmt
    beim Waschen: Grenzflächenspannung verhindert Benetzen Oberfläche (Wasser dringt in Textilfaser ein)
    → Tensid: setzt Grenzflächenspannung herab - Zugabe: richten sich aus zum Wasser, hydrophile (polar) Kopf ragt ins Innere des Wassers, hydrophobe (Schwanz): ragt aus Wasser da unpolare Umgebung anstrebt (Luft)
  • energetisch günstige Anordnung, Abstoßungskräfte minimiert
  • Wasseroberfläche polare Gruppen des Tensids → starke Anziehung durch Wasserstoffbrückenbindung zwischen Wassermolekülen vermindert, Zusammenhalt Wassermoleküle gestört, Oberflächenspannung herabgesetzt

Experiment

  • Büroklammer sinkt
  • mehr Zugabe: Moleküle im ganzen Wasser verteilt
  • unpolare Verunreinigungen + Fasern (Fett,..): lipohile Schwanz lagert an – Schmutzhaftung ↓
  • hydrophile Alkylrest: ragt ins Wasser, gegenseitige Abstoßung, Zusammenschluss fettiger Schmutzteilchen verhindert, in kleinere Partikel zerlegt
  • Tensidm. ordnen um herum an – Micellbildung (Verbände von 50-1000 Molekülen), eingelagert: fettliebende Stoffe/ Flüssigkeiten, Kugelmicelle
  • Micellen unterschiedliche Formen

Experiment Tyndall-Effekt:

  • Seifenlösung, NaCl-Lösung, Diaprojektor
  • Micellen relativ groß + entsprechen in etwa der Wellenlänge des Lichtes (1-1000nm) – einfallendes Licht gestreut + sichtbar – Lösung erscheint trüb
  • kolloidales System = System das Tyndall-Effekt aufweist / zeigt
  • anionische Tenside: Schmutz + Faser negativ geladen (Anlagerung), Abstoßung
  • Schmutzteilchen in Lösung gehalten, können nicht mehr an Fasern anlagern
  • Waschen: Ablösen des Schmutzes durch mechanische Bewegung + erhöhte Temperatur (Waschmaschine)
    = Dispergiervermögen = Fähigkeit, in Lösemitteln unlösliche Stoffe fein verteilt in der Schwebe zu halten (so dass sie sich nicht absetzen bzw. irgendwo anlagern)
    = Emulgiervermögen = Fähigkeit, zwei nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Öl und Wasser, zu einem fein verteilten Gemisch, der sogenannten Emulsion, zu vermengen und zu stabilisieren
  • Emulgator = Hilfsstoff, der dazu dient, zwei nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Öl und Wasser, zu fein verteilten Gemisch (Emulsion) zu vermengen und zu stabilisieren

Experiment Emulgiervermögen:

  • Öltröpfchen von Tensid-Molekülen eingehüllt, hydrophobe Teil des Tensid-Moleküls ist Öltröpfchen zugewandt, hydrophile Anteil zeigt in Richtung Wassermoleküle - Öltröpfchen im fein verteilten Zustand im Wasser gehalten → stabile Emulsion (T = Emulgator)
  • Reinigen einer ölverschmutzten Faser: Ölmoleküle werden vom Tensid-Molekül ebenfalls "eingehüllt"

Schaumbildung:

  • Tensidlösung kräftig geschütttelt: Schaum
  • Ursache: Tensidmoleküle ordnen an Grenzfläche von Luft und Wasser an, schließen Luft ein, bilden Tensiddoppelschicht (Lamelle), dazwischen dünner Wasserfilm - Lamelle = Hülle der Seifenblasen
  • hydrophoben Enden sind Oberfläche
  • Anionische Tenside schäumen meist sehr stark
  • nichtionische Tensiden dagegen in der Regel weniger
  • starke Schaumbildung oft unerwünscht, Zusatz von Schauminhibitoren die Elastizität der Lamellen herabgesetzt und die Blasen platzen schnell

Verwendung:

  • Wasch- und Reinigungsmittel (waschaktive Substanzen)
  • Kosmetikprodukte, Shampoo, Schaumbäder etc.
  • als Emulgatoren: kosmetische Pflegemittel (Lotionen, Creme), Lebensmittelindustrie (Mayonnaise, Soße, Cremes, Margarine → Streichfähigkeit, Schokoladenmasse, Eiscreme), Pharmazie: wasserunlösliche Arzneistoffe in Salben bzw. Säften emulgiert oder suspendiert , Lacken/ Farben: stabilisieren (Absetzen Pigmentteilchen verhindern)
  • Metallbe- / verarbeitung
  • Brandbekämpfung
  • Papierindustrie

Umweltaspekte

  • früher: sehr starke Schaumbildung in Flüssen, Meeren, Schleusen; unzureichend biologische Abbaubarkeit, Schädigung der Lebewesen
  • Alkylreste weniger verzweigt → biologisch abbaubar durch Mikroorganismen in Kläranlagen, CO2, H2O, Mineralstoffe
  • seit 2005: in Wasch- und Reinigungsmitteln eingesetzte Tenside laut Detergenzienverordnung: vollständig biologisch abbaubar (Detergenzien: Wasch-, Reinigungsmittel)
  • gilt als vollständig biologisch abgebaut, wenn unter Laborbedingungen die Mineralisierungsrate innerhalb von 28 Tagen bei mindestens 60% liegt (Ausnahmen), in der Natur 80%

Enthärter und Komplexbildner

  • Stabilisatoren: Komplexbildner für Schwermetall-Kationen
  • Wasserhärte abh. v. Konzentration der härtebildenden zB. Mg/ Ca Ionen, hartem Wasser sehr hoch, reagieren mit Seifen → schwerlösliche Salze fallen als weißer NS aus, zB. Kalkseife, höhere T: Heizstäbe Waschmaschine verkalken (Kesselstein), Waschwirkung verringert da Tensid verbraucht, Zerfall von Bleichmitteln

Enthärter: härtebildenden Ionen aus Wasser/ Schmutz entfernen

Komplexbildner: entfernen ebenfalls Ionen aus Wasser oder Schmutz, je nach Art des Komplexbildners werden auch andere Metall-Ionen chemisch gebunden

bei Entfernung der Metallionen 3 Wirkungsmechanismen: Komplexierung, Fällung, Ionenaustausch

  • früher Soda, ab 30er Phosphate
    Pentanatriumtriphosphat (Na5P3O10), bildet mit Mg2+- und Ca2+-Ionen stabile Chelatkomplexe,→ komplexierend, stellt günstigen pH-Wert von 9,5 in der Waschlauge ein, unterstützt Schmutzablösung bei polarem Schmutz stärker als Tenside und erleichtert Ausspülen der Wäsche
  • HE: Phosphate: → Algenwachstum verstärkt, Eutrophierung der Gewässer (Überangebot Nährstoffe durch Phosphate → Wachstum von Pflanzen + Mikroorg. ↑, → O2 ↓)ab 80er: Zeolithe – ökologisch unbedenklich, unterstützen aber nicht Schmutzablösung
  • wichtiger Vertreter: Zeolith A (Natrium-Aluminium-Silikat SAS, Handelsname Sasil), bindet Ca-/ Mg-Ionen + gibt Na-Ionen ab: Ionenaustauscher, umweltverträglichste Wasserenthärter, Nachteil: Wirkung setzt langsam ein → zusätzlicher Coenthärter erforderlich beim Waschen + setzt sich ab
    allg. Formel: Mx/n[(AlO2)x (SiO2)y · (H2O)z]
  • Gerüststruktur aus AlO4− und SiO4−Tetraedern im Verhältnis 1:1 (Al- und Si- Atome teilen an Knüpfungsstelle O-atom), über Elektronenpaarbindung verbunden, Hohlräume, Gitter ist riesiges Anion
  • Hohlräume enthalten Kationen (Abb. Einheitszelle)
  • kleine Ikosaeder verknüpft, jede Ecke der Darstellung repräsentiert Aluminium/ Silicium-atom, jede Kante ein O-atom , jedes Ikosaeder = eines der 8 Ecken des Würfels → Hohlraum im Innern über Poren in Seitenmitten erreichbar, nur kleine Moleküle durch
  • andere: EDTA = Komplexbildner, bildet sehr stabile Komplexe mit Calcium-Ionen, 4 zähniger Ligand, aber auch mit anderen Metall-Ionen (Schmermetall), Nachteil: sehr langsam abgebaut, wenn Schmermetalle komplexiert: gelangen in Gewässer + wieder löslich – Nahrungskette - M

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