Tensid

Tenside (von lat. tensus „gespannt“), sind Substanzen, die die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit oder die Grenzflächenspannung zwischen zwei Phasen herabsetzen und die Bildung von Dispersionen ermöglichen oder unterstützen.

Tenside bewirken, dass zwei eigentlich nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Öl und Wasser, fein vermengt werden können. Unter Tensiden versteht man auch waschaktive Substanzen (Detergentien), die in Waschmitteln, Spülmitteln und Shampoos enthalten sind. Moderne Tenside wurden in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelt und haben das traditionelle Tensid Seife weitgehend verdrängt. Beim Einsatz in der Lebensmitteltechnik werden Tenside als Emulgatoren bezeichnet.

Eigenschaften

Tröpfchen eines Tensids in Wasser (Mizelle)

Tenside an der Wasseroberfläche

Tensid-Öl-Tröpfchen in Wasser

Suspension: Tenside und Feststoffe

Schaumbläschen

Die Funktion der Tenside lässt sich durch ihren molekularen Aufbau erklären. Tenside bestehen allgemein aus einem hydrophoben („wasserabweisenden“) Kohlenwasserstoffrest und einem hydrophilen („wasserliebenden“) Molekülteil; man sagt, sie sind amphiphil („beides liebend“). In den folgenden Abbildungen sind die „wasserliebenden“ Molekülteile durch ein Minuszeichen oder einen roten Punkt gekennzeichnet.

Gibt man Tenside in Wasser, ordnen sich ab einer kritischen Konzentration die einzelnen Tensidmoleküle und bilden innerhalb des Wassers meist kleine Tröpfchen, die Mizellen genannt werden. Dabei richten sich die Tensidmoleküle so aus, dass die hydrophoben Enden sich im Inneren der Tröpfchen sammeln und die hydrophilen Enden sich in Richtung des Wassers anordnen. Bei hoher Konzentration an Tensid können sich auch wurmartige (engl. worm-like) Mizellen oder auch Tensiddoppelschichten bilden, die Wasser einkapseln.

An der Wasseroberfläche bilden die Tenside eine dünne Schicht und senken damit die Oberflächenspannung des Wassers. Auch hier ordnen sich die Tensidmoleküle an. Die hydrophilen Enden zeigen in Richtung des Wassers, die hydrophoben Enden ragen in Richtung der Luft.

• Der Einfluss von Tensiden auf die Oberflächenspannung kann einfach demonstriert werden: Man bringt auf eine Wasseroberfläche (ohne darin enthaltende Tenside) einen leichten Gegenstand (zum Beispiel eine Stecknadel) auf. Dieser wird im Normalfall nicht untergehen, sondern infolge der hohen Oberflächenspannung vom Wasser getragen. Gibt man sodann kleine Mengen eines Tensids (zum Beispiel Spülmittel) hinzu, verringert sich die Oberflächenspannung so stark, dass sie der Gewichtskraft nicht mehr entgegenwirken kann, die durch die höhere Dichte des aufgebrachten Gegenstandes auf die Wasseroberfläche wirkt: Der Gegenstand geht unter.

Tenside bewirken als Emulgatoren, dass zwei nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten (zum Beispiel Öl in Wasser) sich zu einer Emulsion vermengen können. Aufgrund amphiphilen Charakters des Tensids dringen sie mit ihrem fettlöslichen Teil in das Öl ein. Durch den hydrophilen Teil kann das nun durch Rühren entstandene Öltröpfchen in der wässrigen Umgebung „in Lösung gehalten“ werden.

Von Netzmitteln spricht man, wenn das Ziel des Einsatzes der Tenside nicht die Vermischung zweier Phasen ist, sondern die Herabsetzung der Grenzflächenspannung zwischen einer festen Oberfläche und einer Flüssigkeit. Wasser fließt, statt Tropfen zu bilden, leichter von einer Oberfläche ab. Im Fotolabor werden etwa Tenside als Netzmittel eingesetzt, um Trockenflecken auf Fotomaterialien nach der Schlusswässerung zu verhindern.

Tenside unterstützen das Ablösen kleiner Feststoffteilchen von festen Oberflächen, also etwa die Entfernung der Schmutzpartikel an Kleidungsstücken. Die Feststoffteilchen werden im Wasser „in der Schwebe gehalten“. Ihr Einsatz unterstützt die Bildung und den Erhalt einer sogenannten Suspension. Die Tenside lagern sich emulsionsähnlich um die Feststoffteilchen an und hemmen das Zusammenklumpen, Absinken (= Sedimentieren) und erneute Anhaften an anderen festen Oberflächen, die selbst mit einer „Tensidschicht“ belegt sind. Die mit dem Tensid ummantelten Feststoffteilchen bilden mit dem Wasser ein sogenanntes Kolloid. Als Dispergiermittel werden Tenside bezeichnet, die die festen Pigmente in einem (noch) flüssigen Lack in der Schwebe halten.

Die Bildung von Schaum ist auf die Eigenschaften von Tensiden zurückzuführen. Die Tensidmoleküle bilden einen aus zwei Schichten bestehenden Film, bei dem die hydrophoben Enden der Tenside die beiden Oberflächen bilden. Die hydrophilen Enden weisen in den Film hinein. Eine starke Schaumentwicklung kann beim Einsatz oder bei Anwesenheit von Tensiden störend sein, weshalb Entschäumer Einsatz finden.

Anionische Tenside bilden mit Kationen der Erdalkalimetalle unlösliche Niederschläge, die im allgemeinen als Kalkseifen bezeichnet werden. Kalkseifen haben nicht mehr die oben dargestellten Eigenschaften der „löslichen“ Tenside. Die Bildung der Kalkseifen ist auf die Wasserhärte zurückzuführen. Werden Tenside als Detergentien verwendet, ist im Waschmittel ein Enthärter beigesetzt.

Struktur der Tenside

Alle Tenside sind aus einem unpolaren und einem polaren Teil (Funktionelle Gruppen) aufgebaut (→ Polarität). Als unpolarer Teil dient immer eine Alkylgruppe. Der polare Teil kann verschieden aufgebaut sein und ist in der Tabelle zusammengefasst.

Tenside	hydrophile Gruppe(n)
nichtionische Tenside	–OH (Alkohol, aber auch Zuckermoleküle) und –O– (Ether)
anionische Tenside	–COO− (Carboxylat), –SO3− (Sulfonat) oder –OSO3− (Sulfat)
kationische Tenside	R4N+ (quartäre Ammonium-Gruppe)
amphotere Tenside (zwitterionische Tenside)	meist –COO− (Carboxylat) und R4N+ (quartäre Ammonium-Gruppe)

Häufig wird versucht zwischen natürlichen und synthetischen Tensiden zu unterscheiden. Diese Unterscheidung ist nicht einfach und nicht immer sinnvoll. Ein natürlich vorkommendes Tensid ist beispielsweise Lecithin. Tenside natürlichen Ursprungs sind zum Beispiel Seifen, die aus natürlichen Rohstoffen (zum Beispiel Tierfetten) durch Verseifung hergestellt werden. Die Herstellung erfordert jedoch eine tiefgreifende chemische Reaktion. Synthetische Tenside werden aus dem Rohstoff wie Erdöl, aber auch Sonnenblumenöl durch zahlreiche chemische Reaktionen hergestellt. Wichtiger als der Ursprung eines Tensides ist jedoch seine biologische Abbaubarkeit. Tenside werden zwar regelmäßig auf ihr Vorkommen im Trinkwasser kontrolliert, nicht jedoch ihre teilweise erheblich giftigeren Abbauprodukte. Die gesundheitlichen Wirkungen von Tensiden sind bislang kaum erforscht.

Anwendung von Tensiden

Tenside in der Lebensmittelindustrie

Bestimmte Tenside werden als Emulgatoren oder Schaummittel in Lebensmittel eingesetzt. Die zugelassenen Lebensmittelzusatzstoffe sind hier gelistet.

Tenside in Waschmittel und Kosmetik

In Waschmitteln, Spülmitteln, Shampoos, Duschgels usw. finden Tenside Verwendung, um die „Löslichkeit“ von Fett- und Schmutzpartikeln, die in der Wäsche oder am Körper haften, in Wasser zu erhöhen. Sie bilden die wichtigste Komponente in Kosmetika, um fetthaltige Hautcreme herzustellen.

Tenside in der Biochemie

In der Biochemie werden Tenside unter anderem zur Denaturierung von Proteinen und zur Solubilisierung von Membranproteinen genutzt:^[1]

• Natriumlaurylsulfat (SDS)
• Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB)
• Octoxinol-9 (Triton)
• Polysorbat 20
• Polyalkylenglykolether
• Gallensäuren, wie Cholat oder Desoxycholat
• Digitonin
• Dodecylmaltosid
• Octylglycosid

Tenside in den Geowissenschaften

In Geologie und Paläontologie werden Tenside oft zum schonenden Aufbereiten von Sedimentproben benutzt. Mithilfe dieser Methode kann beispielsweise verhindert werden, dass es in pyrithaltigen Proben zur Bildung von schwefliger Säure kommt, was der Fall wäre wenn sie mit dem sonst zur Probenaufbereitung verwendeten Wasserstoffperoxid aufbereitet würden.

Tenside in der Technik

Kunststofftechnik

Eine spezielle Anwendung finden Tenside in der Kunststofftechnik. Hier werden wässrige Tensidlösungen eingesetzt, um die Anfälligkeit von polymeren Werkstoffen auf Spannungsrissbildung zu prüfen. Weiterhin werden Tenside eingesetzt, um die Versagenszeit von Langzeitversuchen zu verkürzen; insbesondere bei Risswachstumsversuchen an Polyethylen findet dies Anwendung. Beim Full Notch Creep Test zur Prüfung von Polyethylen-Rohrleitungen werden Netzmittel eingesetzt.

Metallbearbeitung

Tenside sind hier Bestandteil in wassergemischten Kühlschmiermitteln.

Fotografie

Hier lassen sich Trocknungsflecken und Schlieren bei der Filmentwicklung verhindern.

Papierrecycling

Tenside helfen beim Papierrecycling zur Ablösung der Druckfarbenteilchen von den Papierfasern und beim Transport der Druckfarbe an die Oberfläche beim Deinking.

Werkzeugreinigung

Eine wichtige Rolle spielen sie auch bei der Werkzeugreinigung.

Tenside in der Natur

Bestimmte Raupen von Insekten bespucken Fressfeinde mit einem Tensid-haltigen Sekret. Dies wirkt abschreckend auf die angreifenden Ameisen und ermöglicht den Raupen die Flucht. Beobachtet wurde dieses Verhalten bei Raupen der der aus Südostasien stammenden Mottenart Spodoptera exigua.

Tenside in der Brandbekämpfung

Eine Methode zur Brandbekämpfung ist das Löschen mit „entspanntem Wasser“, auch bekannt als „Netzwasser“, d. h. Wasser mit einer stark verringerten Oberflächenspannung. Dies bringt zum einen den Vorteil mit sich, dass das Löschwasser besser in brennende Materialien wie Holz oder Stoff eindringen kann und somit einen noch besseren Kühleffekt nach sich zieht. Zum anderen kann mit oberflächenaktiven Substanzen versetztes Löschwasser infolge deren Wirkung als Fließverbesserer bei gleicher Pumpleistung das Wasser über eine größere Distanz gespritzt werden. Letzterer Effekt wird jedoch nicht bewusst genutzt. Spezielle Schaummittel (AFFF) zur Bekämpfung von Flüssigkeitsbränden enthalten perfluorierte Tenside, die zwischen Brandgut und Schaum einen gasdichten Flüssigkeitsfilm ausbilden, der dem Schaumteppich gleichzeitig bessere Gleiteigenschaften verleiht und so ein Löschen von größeren Flüssigkeitsbränden erst ermöglicht.

Quellen

1. ↑ Calbiochem Booklet: Detergents (PDF)

Siehe auch

• Perfluorierte Tenside

Weblinks

• Calbiochem Booklet: Detergents –Detergentien in der Biochemie
• Lernhilfen zum Thema Waschmittel und Tenside
• Puzzle: Seifen und Waschmittel (EduETH)