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.
Kommen zwei nicht mischbare Flüssigkeiten in Kontakt, bildet sich eine Grenzfläche aus. Die Grenzflächenspannung beschreibt die Kräfte, die dafür sorgen, dass die Grenzfläche zwischen den Tröpfchen zwei Phasen verringert wird. Eine Phase ist hierbei ein Bereich, in dem die Stoffeigenschaften konstant sind, also nur ein Stoff vorliegt.
In einer Emulsion liegen fein verteilte Tröpfchen einer Flüssigkeit in einer anderen vor. Emulsionen treten zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten auf.
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.
Emulgieren ist der Fachbegriff für das Vermengen zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten. Das Emulgieren führt also zu einer Emulsion.
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.
In einer klassischen Mayonnaise ist der Stoff Lecithin aus dem Eigelb für die emulgierende Wirkung verantwortlich. Er stabilisiert die Öl-Tröpfchen in der Emulsion.
Emulsion Verwendung
Nachdem die kleinen Tropfen der inneren Phase erzeugt wurden, müssen die neu gebildeten Grenzflächen schnellstmöglich stabilisiert werden. Hierzu werden sogenannte Emulgatoren (Tenside) benötigt. Diese Moleküle besitzen sowohl ein hydrophiles, als auch ein lipophiles Ende. So können sie Wechselwirkungen zu beiden Grenzschichten ausbilden.
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
In der Folge wird die Grenzflächenspannung zwischen den beiden Phasen einer Emulsion herabgesenkt. Auf diesem Weg kann das Zusammenfließen der neu gebildeten Tropfen verlangsamt oder sogar vollständig verhindert werden.
Emulgatoren sind grenzflächenaktive Hilfsstoffe. Sie dienen zur Stabilisierung einer Emulsion und sind daher in vielen Bereichen von großer Bedeutung. Mehr über das Thema Emulgatoren lernst Du in unserem StudySmarter Original.
Emulsion Zerfall
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.
- Schritt: Stabile Emulsion (innere Phase in der äußeren Phase verteilt)
- Schritt: Sedimentation (Auftrennung des Gemisches in leichte und schwere Phase)
- Schritt: Ostwald-Reifung
- Schritt: Aggregation (innere Phase bildet größere Bereiche aus)
- Schritt: Koaleszenz (Rückbildung der ursprünglichen, nicht dispergierten Phasen. Aus zwei kleinen Tröpfchen wird ein größerer und so weiter.)
Emulsion – Das Wichtigste
- Emulsion Definition: Eine Emulsion ist ein Stoffgemisch aus einer inneren Phase, die fein verteilt in einer äußeren Phase vorliegt.
- Emulsion Erklärung: In der Chemie wird zwischen hydrophilen und lipophilen Flüssigkeiten unterschieden.
- Emulsion Vorkommen: Es gibt Öl-in-Wasser- und Wasser-in-Öl-Emulsionen. Die erst genannte Komponente ist dabei immer die innere Phase.
- Emulsion Beispiele: Beispiele für Emulsionen, die Dir im Alltag begegnen, sind Milch, Mayonnaise, Butter und Pflanzenmargarine.
- Emulsion Verwendung: Emulgatoren sind grenzflächenaktiv und stabilisieren Emulsionen.
Nachweise
- Kraume (2003). Mischen und Rühren. Wiley-VCH Verlag
- Lagaly, Schulz, Zimehl (1997). Dispersionen und Emulsionen. Steinkopff Verlag
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