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Emulsion

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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, muss in das Medium von außen Energie hinzugefügt werden. Hierdurch wird das Öl in kleinere Tröpfchen zerlegt, die dann besser mit dem Wasser vermischt werden können. Dabei nimmt die Grenzflächenspannung zwischen den beiden Flüssigkeiten zu.

Kommen zwei nicht ohne weiteres mischbare Flüssigkeiten in Kontakt, bildet sich eine Grenzfläche aus. Die Grenzflächenspannung beschreibt die Kräfte, die dafür sorgen, dass die Grenzfläche zwischen zwei Phasen verringert wird.

In einer Emulsion liegen fein verteilte Tröpfchen einer Flüssigkeit, auch innere oder disperse Phase genannt, in einer äußeren oder auch kontinuierlichen Phase vor. Die beiden Flüssigkeiten sind für gewöhnlich nicht mischbar.

Phasen einer Emulsion

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 wasserähnlichen (hydrophilen) Flüssigkeiten und zum anderen die ölähnlichen (lipophilen) Flüssigkeiten, die jeweils nur untereinander gut mischbar sind.

Arten der Emulsion

Je nachdem, welche Flüssigkeit die innere Phase bildet, 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)

Chemische Betrachtung einer Emulsion

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 es 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.

Möchtest Du dennoch eine relativ stabile Emulsion herstellen, benötigt es Hilfsstoffe, mehr hierzu erfährst Du später.

Physikalische Betrachtung einer Emulsion

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. 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 Vorkommen

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.

Herstellung einer Emulsion

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 herstellen.

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.

Emulsion Wirkung von Tensiden StudySmarterAbbildung 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, die zur Stabilisierung einer Emulsion beitragen.

Zerfall einer Emulsion

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)

Emulsion - Zusammenfassung

  • Eine Emulsion ist ein Stoffgemisch aus einer inneren Phase, die fein verteilt in einer äußeren Phase vorliegt.
  • In der Chemie wird zwischen hydrophilen und lipophilen Flüssigkeiten unterschieden.
  • Emulgatoren sind grenzflächenaktiv und stabilisieren Emulsionen.
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