Emulsion

Möchtest Du verschiedene Flüssigkeiten miteinander mischen, geht das meistens auch problemlos. Doch hast Du schon mal versucht, Wasser mit Öl zu mischen? Dann ist Dir bestimmt aufgefallen, dass sich das Öl auf dem Wasser absetzt und sich zwei Schichten bilden. Wieso sich diese beiden Flüssigkeiten nicht gut vermischen lassen und wie Emulsionen dieses Problem lösen, erfährst Du in diesem StudySmarter Original.

Emulsion Definition

Um ein Gemisch aus Öl und Wasser herzustellen, musst Du irgendwie Energie hinzufügen. Das passiert meist durch mechanische Arbeit, also durch Rühren oder Schütteln, wodurch das Öl in kleinere Tröpfchen zerlegt wird. Diese können dann besser mit dem Wasser vermischt werden. Dabei nimmt allerdings die Grenzflächenspannung zwischen den beiden Flüssigkeiten zu.

Emulsion Erklärung

Die Flüssigkeit, die in kleine Tropfen zerlegt wird, heißt in der Chemie innere oder auch disperse Phase. Die zusammenhängende Flüssigkeit wird dagegen als äußere oder auch kontinuierliche Phase bezeichnet. Dabei werden zwei Arten von Flüssigkeiten unterschieden. Zum einen sind das die wasserliebenden (hydrophilen) Flüssigkeiten und zum anderen die ölliebenden (lipophilen) Flüssigkeiten, die jeweils nur unter sich gut mischbar sind.

Emulsion Arten

Je nachdem, welche Tröpfchen die innere Phase bilden, werden in der Chemie zwei Arten von Emulsionen unterschieden.

• Ist die innere Phase eine lipophile Flüssigkeit, handelt es sich um eine Öl-in-Wasser-Emulsion (O/W-Emulsion)
• Bildet eine hydrophile Flüssigkeit die innere Phase, handelt es sich um eine Wasser-in-Öl-Emulsion (W/O-Emulsion)

Emulsion Chemische Betrachtung

Auf chemischer Ebene bilden die verschiedenen Flüssigkeiten unterschiedliche Wechselwirkungen aus. So kommt es zwischen hydrophilen Molekülen zu Wasserstoffbrückenbindungen. Bei lipophilen Molekülen hingegen bilden sich Van-der-Waals-Kräfte aus. Wird jetzt ein wenig Öl in Wasser gegeben, so bildet sich eine Grenzfläche zwischen den Phasen aus.

In diesem Bereich können die genannten Wechselwirkungen nicht entstehen, weshalb die beiden Phasen getrennt voneinander vorliegen. Die vorher genannte Grenzflächenspannung kommt an der Stelle ins Spiel, denn sie verhindert das Vermischen der beiden Flüssigkeiten. Können die beiden Flüssigkeiten doch erfolgreich emulgiert werden, dann ist die Emulsion meist instabil und zerfällt nach einiger Zeit wieder.

Möchtest Du dennoch eine relativ stabile Emulsion herstellen, brauchst Du Hilfsstoffe, sogenannte Emulgatoren. Mehr hierzu erfährst Du später.

Emulsion Physikalische Betrachtung

Wichtige Größen, die die Struktur und Eigenschaften von Emulsionen beeinflussen, sind das Phasenvolumenverhältnis und die Tröpfchengröße.

• Das Phasenvolumenverhältnis ist der Quotient aus Volumen der inneren Phase zu dem der äußeren Phase: \( φ = \frac {V_i}{V_a}\). Bis zu einem Verhältnis von 3:7 werden die Eigenschaften der Emulsion hauptsächlich durch die äußere Phase bestimmt. Mit zunehmendem Anteil der inneren Phase kommen ihre Eigenschaften mehr zum Vorschein. Wird der Volumenanteil einer Phase zu groß, kann sich die Situation der Phasen ändern. So wird eine O/W-Emulsion zu einer W/O-Emulsion. Chemiker*innen sprechen von einer Phaseninversion.
• Die Tröpfchengröße in einer Emulsion ist in der Regel nicht einheitlich. Vielmehr ist sie in einem gewissen Bereich verteilt. Je größer der mittlere Teilchendurchmesser und je breiter die Teilchengrößenverteilung, desto stärker ist die Trübung der Emulsion.

Emulsion Beispiele

Im alltäglichen Leben sind Emulsionen praktisch überall anzutreffen. Sie werden beispielsweise als Lebensmittel oder auch Kosmetika direkt an den Kunden verkauft. Bekannte Beispiele für O/W-Emulsionen sind Milch, Mayonnaise oder auch Salatdressings. Typische W/O-Emulsionen sind Butter oder Pflanzenmargarine. Zur Stabilisierung dieser Emulsionen werden, wie zuvor erwähnt, Hilfsstoffe benötigt.

Emulsion Verwendung

Abbildung 2 verdeutlicht die Wirkung von Tensiden in einer Emulsion. Das lipophile Ende ist hierbei zum Öl hingerichtet. Das hydrophile Ende ist dann zum Wasser orientiert.

Abbildung 2: Wirkung von Tensiden

Wegen der Grenzflächenspannung zwischen den beiden Phasen sind die meisten Emulsionen instabil. Die innere Phase ist also bestrebt, sich zu größeren Tropfen zusammenzuschließen und so die Grenzflächenenergie herabzusenken. Dieser Zerfall, auch Brechen einer Emulsion genannt, läuft in einzelnen Schritten ab. Diese finden allerdings häufig zeitgleich statt.

1. Schritt: Stabile Emulsion (innere Phase in der äußeren Phase verteilt)
2. Schritt: Sedimentation (Auftrennung des Gemisches in leichte und schwere Phase)
3. Schritt: Ostwald-Reifung
4. Schritt: Aggregation (innere Phase bildet größere Bereiche aus)
5. Schritt: Koaleszenz (Rückbildung der ursprünglichen, nicht dispergierten Phasen. Aus zwei kleinen Tröpfchen wird ein größerer und so weiter.)