Tenside und Kritische Mizellbildungskonzentration (CMC)

Tenside sind grenzflächenaktive Stoffe. Sie bestehen aus einer polaren Kopfgruppe und einer langen unpolaren Kohlenwasserstoffkette (vgl. Abbildung 1). Der polare Teil des Moleküls kann stark mit einem polaren Lösungsmittel wie Wasser wechselwirken, daher nennt man ihn auch hydrophil (wasserliebend). Der unpolare Teil des Moleküls kann stark mit einem unpolaren Lösungsmittel wie Öl wechselwirken, daher nennt man ihn lipophil (fettliebend) oder hydrophob (wassermeidend).

Man kann Tenside beispielsweise anhand ihrer Kopfgruppenladung klassifizieren:

  • anionische Tenside besitzen eine negativ geladene Kopfgruppe
  • kationische Tenside besitzen eine positiv geladene Kopfgruppe
  • amphotere Tenside besitzen eine zwitterionische Kopfgruppe (positive und negative Ladung)
  • nichtionische Tenside besitzen eine ungeladene polare Kopfgruppe.

Aufgrund ihres zweigeteilten Aufbaus lagern sich Tenside bevorzugt an Grenzflächen an, wo sie die für sie energetisch günstigsten Bedingungen vorfinden. Der polare Teil orientiert sich dabei zur polareren Seite der Grenzfläche. An einer Wasseroberfläche orientieren sich die Tenside beispielsweise so, dass die Kopfgruppe in das Wasser zeigt und die Kohlenwasserstoffkette in die Gasphase (vgl. Abbildung 2). Durch die Anlagerung von Tensiden an der Grenzfläche verringert sich die Grenzflächenspannung. Die Tenside können sowohl mit der einen, als auch mit der anderen Phase gute Wechselwirkungen eingehen und somit zwischen den Atomen/Molekülen der beiden Phasen „vermitteln“. Die Zugabe von Tensiden erleichtert daher die Vermischung unpolarer und polarer Phasen, was beispielsweise in der Wasch- und Reinigungsmittelindustrie ausgenutzt wird.

Die Erniedrigung der Grenzflächenspannung durch Tenside ist umso stärker, je mehr Tenside an der Grenzfläche angelagert sind. Ist jedoch die Grenzfläche (sowie die angrenzenden Volumenphasen) mit Tensidmolekülen gesättigt, so führt eine Tensidzugabe nicht zu einer weiteren Grenzflächenspannungserniedrigung (vgl. Abbildung 4). Stattdessen findet in einer Volumenphase eine Selbstorganisation der Tensidmoleküle statt. Es bilden sich z.B. Mizellen, indem mehrere Tensidmoleküle ihre unpolaren Ketten zusammenlagern und sie zu einer umgebenden wässrigen Phase mit ihren polaren Kopfgruppen abschirmen (siehe Abbildung 3). Die Minimierung des ungünstigen Kontakts zwischen den unpolaren Tensidketten und der polarer Phase kompensiert dabei den Entropieverlust durch die Mizellbildung.

Neben den in Abbildung 3 gezeigten Mizellen, gibt es auch sogenannte inverse Mizellen, bei denen die Kopfgruppen zusammengelagert und die unpolaren Tensidketten zu einer umgebenden unpolaren Phase ausgerichtet sind. Mizellen können kugelförmig sein, bei Variation von Parametern wie Temperatur und Systemzusammensetzung jedoch ebenso elongierte bis hin zu wurmartigen Strukturen annehmen. Beispielsweise in Flüssigkristallen treten weiterhin auch Schichtstrukturen von Tensidmolekülen auf.

Die Kritische Mizellbildungskonzentration CMC (engl. critical micelle concentration) ist die Tensidkonzentration, bei der die Mizellbildung einsetzt. Sie kann für eine Tensidlösung ermittelt werden, indem bei verschiedenen Konzentrationen die Oberflächenspannung gemessen wird. Diese nimmt unterhalb der CMC mit der Tensidkonzentration ab und ist oberhalb der CMC konstant, da sich die Anzahl der Tensidmoleküle in der Grenzfläche nicht weiter ändert. In einer logarithmischen Auftragung der Oberflächenspannung gegen die Tensidkonzentration findet man zwei lineare Bereiche, unter- und oberhalb der CMC (vgl. Abbildung 4). Durch Extrapolation entsprechender Ausgleichsgeraden kann daher am Schnittpunkt die CMC abgelesen werden.

Die CMC kann automatisch mit Hilfe eines dynamischen Kontaktwinkel­messgerätes und Tensiometers bestimmt werden, wenn ein elektrisches Dosier- und Refill-System LDU angeschlossen wird.

  • Abbildung 1: Schematischer Aufbau eines Tensids
  • Abbildung 2: Tenside an einer Grenzfläche
  • Abbildung 3: Kugelmizelle
  • Abbildung 4: Oberflächenspannung in Abhängigkeit der Tensidkonzentration