Solubilisierung in Mizellen

Solubilisierung in Mizellen
Abstract
1
Theoretische Grundlagen
Tenside sind Moleküle, die aus einem hydrophilen (polaren) und einem hydrophoben
(unpolaren) Molekülteil bestehen(Abbildung 1).
hydrophobe
Kette
hydrophile
Kopfgruppe
Abb.1: Schematische Darstellung eines Tensids
Nach der Ladung der hydrophilen Kopfgruppe werden Tenside folgendermaßen eingeteilt:
-nicht-ionische
-anionische
-kationische
-zwitterionische
Tenside
Die chemische Verknüpfung von einem hydrophoben, wasserunlöslichen und einem
hydrophilen, wasserlöslichen Molekülteil erklärt die charakteristischen Eigenschaften der
Tenside:

Verringerung der Grenzflächenspannung

Anreicherung in Grenzflächen

Bildung von Mizellen
Gibt man Tenside in Wasser, tauchen die hydrophilen Kopfgruppen in das Wasser ein,
während die hydrophoben Ketten aus dem Wasser heraus in die angrenzende unpolare Phase
ragen, die fest, flüssig oder gasförmig sein kann. Diese Anordnung ist für die Tensidmoleküle
1
energetisch besonders günstig. Gleichzeitig wird der Zusammenhalt der Wassermoleküle
gestört und die Oberflächenspannung wird herabgesetzt. Die führt u.a. zu einer besseren
Benetzbarkeit von Oberflächen.
Im Wasser bilden die Tensidmoleküle ab einer kritischen Konzentration, der kritischen
Mizellenkonzentration (cmc), Aggregate, die Mizellen genannt werden. Dabei richten sich die
Tensidmoleküle so aus, dass die hydrophoben Ketten im Mizelleninneren kaum Kontakt zum
polaren Lösungsmittel haben, während die polaren Gruppen an der Mizellenoberfläche, die
näherungsweise eine Kugelschale ist, das ganze Aggregat in Lösung halten (siehe Abb. 3)
Mizellen besitzen einen Durchmesser von 3 – 50 nm. Der Radius ist durch die Länge der
hydrophoben Alkylkette festgelegt. Dies gilt auch für die Zahl der Tensidmoleküle pro
Mizelle (Aggregationszahl) (ungefähr 100 bei Tensiden mit 16 CH2- Gruppen). Bei Zunahme
der Tensidkonzentration oberhalb der kritischen Mizellenkonzentration (cmc) erhöht sich die
Zahl der Mizellen, während die Größe der Mizellen und die Aggregationszahl in erster
Näherung konstant bleiben.
Die Mizellenbildung ist die Voraussetzung für die Fähigkeit der Tenside; Substanzen, die in
wässriger Lösung unlöslich sind, löslich zu machen (Solubilisierung), indem diese Substanzen
in Mizellen eingebaut werden. In Waschmitten, Spülmitteln, Shampoos, Duschgels usw.
werden daher Tenside verwendet, um die „Löslichkeit“ von Fett- und Schmutzpartikeln, die
in der Wäsche oder am Körper haften, in Wasser zu erhöhen. Zusätzlich bewirkt die
Erniedrigung der Grenzflächenspannung des Wassers eine bessere Benetzbarkeit der zu
reinigenden Oberflächen.
Von großer Bedeutung ist auch die Fähigkeit der Tenside, Dispersionen und Emulsionen zu
stabilisieren. So lassen sich wasserunlösliche Farbstoffe mit geeigneten Tensiden in Wasser
so fein verteilen, dass sich keine Farbstoffpartikel absetzen (Dispersionsfarben). Als Emulsion
bezeichnet man ein fein verteiltes Gemisch zweier Flüssigkeiten, die sich nicht oder kaum
ineinander lösen wie z.B Öl und Wasser. Eine Flüssigkeit bildet kleine Tröpfchen, verteilt in
der anderen Flüssigkeit. Die Phase, die Tröpfchen bildet, nennt man disperse Phase. Die
Phase, in der die Tröpfchen "schwimmen", wird Dispersionsmedium genannt. Emulsionen
gehören zu den dispersen Systemen und unterscheiden sich von Gemischen mischbarer
Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Ethanol und Wasser. Wird. Öl mit Wasser gemischt und
2
Tenside als Emulgator eingesetzt, werden die kleinen Öltröpfchen mit den Tensidmolekülen
umgeben, wobei die lipophilen Teile in die Tröpfchen hineinragen und die hydrophilen Teile
nach außen orientiert sind. Da jedes Tröpfchen so von einer negativen geladenen Schicht
umgeben ist, stoßen sich die Tröpfchen gegenseitig ab und laufen nicht wieder zusammen.
Die Entmischung wird so verhindert.
Ziel dieses Versuches ist es, die Bildung von Mizellen nachzuweisen und die
Solubilisierung eines wasserunlöslichen Farbstoffes in einer mizellaren Tensidlösung zu
untersuchen.
3
(a)
Messmethoden und Versuchsdurchführung
Nachweis von Mizellen durch durch Lichtstreuung (Tyndall-Effekt):
Mizellen sind so groß, dass Licht an ihnen gestreut wird. Die Lichtstreuung durch eine
kolloidale Lösung wurde erstmals im Jahre 1871 von Tyndall in der Literatur beschrieben.
Quantitative Lichtstreuungsexperimente liefern wichtige Informationen über die Gestalt und
Größe des streuenden Teilchens.
Sicherheitshinweis
In diesem Versuch wird ein Laserpointer der Gefahrenklasse 1 mit 3mW
Dauerleistung verwendet. Das bedeutet, dass bei direkter Betrachtung des
Laserstrahls die Netzhaut zerstört wird, was zum Erblinden führen kann.
Destilliertes Wasser, sowie eine Tensidlösung, bei der die Tensidkonzentration oberhalb der
kritischen Mizellenkonzentration (cmc) liegt, werden jeweils in eine Küvette gefüllt. Die
beiden Küvetten werden vom Lichtstrahl eines Laserpointers durchstrahlt. In der Küvette mit
dest. Wasser ist der Lichtstrahl von der Seite nicht zu erkennen. In der Küvette mit der
mizellaren Lösung ist der Lichtstrahl von der Seite deutlich sichtbar, da das Licht an den
Mizellen gestreut wird. Seifenlösungen erscheinen daher im Licht immer ein wenig trübe.
Wird die Lichtstreuung in Abhängigkeit von der Tensidkonzentration untersucht, ergibt sich
der folgenden Zusammenhang:
3
Die Abbildung zeigt, dass die Messung des Trübungsgrades (dies ist ein Maß für die Stärke
der Lichtstreuung) von Tensidlösungen in Abhängigkeit von der Tensidkonzentration
verwendet werden kann, um die kritische Mizellenkonzentration (cmc) zu bestimmen.
(b)
Solubilisierung in Mizellen
Die Solubilisierung in Mizellen kann durch folgendes Experiment nachwiesen werden. Ein
wasserunlöslicher Farbstoff wird in einem unpolaren organischen Lösungsmittel, z.B.
Cyclohexan, gelöst. Als Farbstoff wird Sudan Rot verwendet, so dass man eine tiefrote
Lösung erhält. Als Tensid wird das zwitterionisch Sulfobetaine 12 eingestzt, dessen kritische
Mizellenkonzentration bei 3.6
10-3 mol/l liegt.
Es wird eine Konzentrationsreihe (10 Lösungen) des Tensids hergestellt (nähere Anleitung
von der Tutorin). In jedes Reaktionsgefäß werden nun 100 µl der Farbstofflösung gefüllt und
kräftig geschüttelt. Nach einer Wartezeit von ca. 30 min beobachtet man in den
Reaktionsgefäßen,
in
denen
die
Tensidkonzentration
unterhalb
der
kritischen
Mizellenkonzentration liegt, dass sich beide Phasen wieder entmischen und dass die wässrige
Phase
nahezu
farblos
bleibt.
Bei
Tensidkonzentrationen
oberhalb
der
kritischen
Mizellenkonzentration bilden sich Mizellen in der wässrigen Phase und die hydrophoben
Farbstoffmoleküle werden in die Mizellen eingebaut. Die wässrige Lösung wird nun farbig.
Mit Hilfe einer Spritze wird die wässrige Phase aus den Reaktionsgefäßen entnommen und in
eine optische Küvette gefüllt.
Die Bestimmung der Farbstoffkonzentration in der wässrigen Phase erfolgt nun durch
Messung der Extinktion am Absorptionsmaximum des Farbstoffes.
4
Dazu steht ein Photometer Shimadzu UV – 1800 zur Verfügung. Eine schematische
Darstellung des optischen Systems im UV-1800 zeigt die folgende Abbildung:
Das Licht aus der Lichtquelle (Deuterium-Lampe D2 oder Halogen-Lampe WI) wird vom
Spiegel L.M. reflektiert und tritt dann in den Monochromator ein. Der Wechsel der
Lichtquelle erfolgt vollautomatisch, wobei das Gerät die nächste Lampe durch Drehen des
Spiegels L.M. der Wellenlänge entsprechend aussucht. [ D2: Deuterium-Lampe; WI:
Halogen-Lampe; F: Filter, GR: Gitter; S1: Eintrittsspalt; S2: Austrittsspalt; W: Fenster;
L.M.: Spiegel für den Wechsel der Lampe; M1~M5: Spiegel; B.S.: Strahlteiler; L: Linse;
Sam: Zelle der Probenseite; Ref: Zelle der Referenzseite; P.D.: Photodioden ]
Deuterium-Lampe:
190
nm
bis
zur
Wechselwellenlänge;
Halogen-Lampe:
Wechselwellenlänge bis 1100 nm; Die Lampen-Wechselwellenlänge kann im Bereich
zwischen 295,0 und 364,0 nm festgelegt werden (Standardeinstellung: 340,8 nm).
Grundlage der Messmethode ist das LAMBERT-BEERsche Gesetz, welches die Schwächung des
Lichtes beim Durchgang durch die absorbierende Probe beschreibt:
I  I0 e   dc
oder
lg
I0
 E  d c
I
5
mit


2,303
dabei ist I0 die Lichtintensität des Referenzstrahls und I die Intensität des Probenstrahls, c die
Konzentration des absorbierenden Stoffes, d die Schichtdicke der Küvette und  der
dekadische Extinktionskoeffizient. E heißt (dekadische) Extinktion oder optische Dichte. Der
Extinktionskoeffizient ist eine von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung abhängige
stoffspezifische Konstante. Die Extinktion eines Farbstoffes in Abhängigkeit von der
Wellenlänge (bzw. Frequenz) des eingestrahlten Lichts wird als Absorptionsspektrum
bezeichnet. Das Verhältnis I/I0 entspricht der Transmission der Probe.
Folgende Messungen sollen durchgeführt werden:
(1)
Zur Messung der Basislinie von 300 nm bis 700 nm (Bestimmung des Nullpunktes für
jede Wellenlänge) stellen Sie die Küvette mit dest. Wasser in das Spektralphotometer und
drücken die Taste „Baseline“. Anschließend überprüfen Sie durch eine Messung, dass die
Kalibrierung geklappt hat.
(2) Messen Sie das Absorptionsspektrum von Sudan Rot in Cyclohexan im Bereich von 300
nm bis 700 nm, indem Sie die ausstehende konzentrierte Lösung um den Faktor xxxx
verdünnen.
(3) Messen Sie das Absorptionsspektrum der wässrigen Phase von der verschiedenen Proben
im Bereich von 300 nm bis 700 nm.
5
Auswertung
Die Bestimmung der Farbstoffkonzentration in der wässrigen Phase erfolgt nun durch
Messung der Extinktion am Absorptionsmaximum des Farbstoffes. Für den dekadischen
Extinktionskoeffizienten verwenden Sie den Wert 33600 M-1cm-1. Tragen Sie die berechnete
Farbstoffkonzentration gegen die Tensidkonzentration auf und bestimmen Sie graphisch die
kritische Mizellenkonzentration von dem Tensid Sulfobetaine 12.
6
Literaturhinweise
H.-D. Dörfler, Grenzflächen- und Kolloidchemie. VCH, Weinheim, 1994.
B. Fabry, Tenside,, Chemie in unserer Zeit, 1991, 214 - 222
H. Hofmann und W. Ulbricht, Chemie in unserer Zeit, 1995, 76-86
6
T. Hofmann, Chemie in unserer Zeit, 2004, 24-35
Wikepedia
7