Hast Du Dich nicht auch schon immer gefragt, warum Du eigentlich Seife benötigst, um nach dem Kochen Deine fettige Pfanne sauberzumachen? Einfach Wasser drüberlaufen zu lassen, bringt Dich leider nicht wirklich weiter. Das schmierige Öl haftet ironischerweise viel zu gut an der antihaftbeschichteten Pfanne.
Zum Glück reicht ein kleiner Spritzer Geschirrspülmittel schon aus, um das Öl auf magische Weise herunterzuspülen. Der Grund dafür ist, dass Seife wie ein Verbindungsstück zwischen Öl und Wasser funktioniert.
Phasengrenze – Wenn die Unterschiede zu groß sind
Wasser und Öl sind ziemlich unterschiedliche Flüssigkeiten. So unterschiedlich sogar, dass sie sich auch unter heftigem Schütteln nicht dauerhaft mischen lassen. Wenn Du Öl und Wasser in einen Behälter gießt, bilden sich langfristig immer zwei voneinander getrennte Phasen, also räumlich getrennte Bereiche, in denen sich jeweils nur ein Stoff befindet. Das Öl schwimmt dann oben und das Wasser setzt sich unten ab. Zwischen diesen beiden Phasen entsteht eine Phasengrenze.
Der Begriff Phasengrenze steht für die Abgrenzung zwischen zwei chemisch oder physikalisch unterschiedlichen Stoffen, die sich nicht mischen lassen. In der Regel ist die Phasengrenze als auffällige "Linie" sichtbar.
Aber was genau macht Stoffe so unterschiedlich, dass sie sich nicht mischen lassen und eine Phasengrenze entsteht? Das kann unter anderem mit der Struktur der Moleküle, also mit ihren chemischen Eigenschaften zusammenhängen. Manchmal gibt es aber auch einfach eine physikalische Ursache, zum Beispiel unterschiedliche Aggregatzustände.
Die drei klassischen Aggregatzustände sind fest, flüssig, gasförmig. Wenn Du mehr zu diesem Thema lernen willst, wirf gern einen Blick in die Erklärung dazu.
Über die Aggregatzustände lassen sich die Phasengrenzen zwischen zwei Zuständen desselben Stoffs erklären. Vielleicht hast Du Dich auch schon immer gefragt, warum die Eiswürfel Deiner Limo oben schwimmen. Das hängt von der Dichte des Stoffs ab, einer weiteren physikalischen Eigenschaft. In Form von Eis hat Wasser eine geringere Dichte als gekühltes, flüssiges Wasser.
Wenn Du mehr zur Dichte von Wasser lernen willst, dann schau doch mal in die entsprechende Erklärung dazu.
Oder vielleicht hast Du Dich schon mal gefragt, warum sich auf der Oberfläche Deiner klaren Suppe Fettaugen bilden. Der Grund dafür ist die geringere Dichte des Öls. Dadurch schwimmt es oben und das Wasser setzt sich unten ab. Die Dichte eines Stoffs wird durch das Verhältnis von Masse und Volumen bestimmt. Du kannst sie mit folgender Formel berechnen:
,
wobei m für die Masse und V für das Volumen des Stoffs steht. Die Dichte ist also die Masse eines Stoffs geteilt durch sein Volumen.
Homogene und heterogene Systeme - Gemeinsamkeiten ziehen sich an
Homogene Systeme bestehen aus nur einer Phase ohne Phasengrenze. Dabei ist es egal, ob es aus mehreren unterschiedlichen oder nur einem Stoff zusammengesetzt ist. Wichtig ist, dass es nur einen Aggregatzustand gibt ist, und dass sich alle Stoffe miteinander mischen oder ineinander lösen lassen. Heterogene Systeme haben mindestens zwei Phasen und weisen eine Phasengrenze auf. Auch sie können aus einem oder mehreren Stoffen bestehen.
Wasser und Öl bilden ein heterogenes System mit Phasengrenze. Der Grund dafür sind die unterschiedlichen Polaritäten. Wasser ist aufgrund der stark unterschiedlichen Elektronegativität vom Wasserstoff und Sauerstoff ein polares Molekül. Öl besteht hingegen aus Fettsäuren, also unpolaren Kohlenwasserstoffketten.
Die Polarität beschreibt die Eigenschaft eines kovalent gebundenen Moleküls, wie sehr sich das Gleichgewicht der Elektronenpaarbindung in Richtung eines der beiden Atome verschoben hat.
Die Ursache dafür ist die Elektronegativität, die für jedes Atom anders ist. Mit der Elektronegativität ist das Maß für die Fähigkeit gemeint, Elektronen an den Atomkern zu ziehen. Je höher dieser Wert ist, desto stärker ist die Anziehungskraft.
Sauerstoff hat zum Beispiel eine Elektronegativität von 3,44 und die von Wasserstoff liegt bei 2,2. Damit ist Wasser ein polares Molekül, da der Sauerstoff die Elektronen besonders stark zu sich heranzieht. Wenn Du mehr zu diesem spannenden Thema lesen willst, wirf doch mal einen Blick in die Erklärung dazu.
Polar vs. unpolar – Warum sich Gleiches in Gleichem löst
Du kannst Dir an dieser Stelle folgenden Satz merken: "Gleiches löst sich in Gleichem". Demnach lassen sich polare Stoffe wunderbar in polaren Flüssigkeiten lösen. Ebenso lösen unpolare Flüssigkeiten unpolare Stoffe auf.
Ein Beispiel dafür kennst Du aus Deiner Küche: Kochsalz (NaCl) besteht aus einem Kristallgitter mit zwei unterschiedlichen Ionen, den positiv geladenen Natriumionen (Na+) und den negativ geladenen Chloridionen (Cl-).
Wenn Du das Salz in einen Kochtopf mit Wasser gibst, löst es sich mit der Zeit auf. Dabei gehen die Ionen in Lösung, indem sich die Wassermoleküle um die Ionen herum anlagern. Es ist für das Salz energetisch günstiger, das Kristallgitter aufzubrechen und sich um die polaren Wassermoleküle zu verteilen.
Dieses Phänomen wird auch Hydratation genannt – ein wirklich spannendes Thema. Schau daher doch einfach mal in die Erklärung.
Mit Öl ist das nicht möglich, wie Du vielleicht schon festgestellt hast. Wenn Du beispielsweise eine Marinade herstellst, um ein Stück Tofu damit einzureiben, bleiben die Salzkörner erhalten. Der Grund dafür ist, dass Öl unpolar ist und die geladenen Ionen daher lieber im Kristallgitter bleiben. Es ist energetisch ungünstig, aus dem Kristallgitter auszubrechen, wenn die Flüssigkeit drumherum nicht stabilisierend wirkt.
Fettsäuren und Wasser haben in der Chemie eine große Bedeutung. Außerdem unterscheiden sie sich ziemlich stark in ihren Lösungseigenschaften, wie Du schon gelesen hast. Daher wurden zur besseren Einteilung zwei griechische Begriffe eingeführt: Lipophilie und Hydrophilie.
Lipophile Stoffe sind "fettliebend", das heißt, sie lassen sich gut in Fetten und Ölen lösen. Hydrophile Stoffe gehen gern schwimmen – sie sind "wasserliebend" und lösen sich hervorragend in Wasser. Zu diesen beiden Begriffen gibt es jeweils einen Gegenbegriff: hydrophob und lipophob. Diese stehen für "wassermeidend" und "fettmeidend".
Emulsionen - Der Kompromiss
Durch ihre gegenseitig abstoßende Wirkung wollen sich Öl und Wasser also nicht vermischen und bilden eine Phasengrenze. Wenn Du allerdings einen Behälter mit beiden Stoffen kräftig schüttelst oder rührst, wirst Du feststellen, dass sie sich trotzdem umeinander verteilen.
Erst nach einer gewissen Zeit trennen sich die Fettsäuren und die Wassermoleküle in zwei abgegrenzte Phasen. Bis dahin bildet eine der beiden Flüssigkeiten kleine Tropfen, die von der anderen umgeben sind. Eine solche Flüssigkeit heißt Emulsion.
Eine Emulsion ist ein heterogenes System, das aus zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten besteht. Dabei verteilt sich eine der Flüssigkeiten in kleinen Tropfen um die andere herum.
Aber warum trennen sich die beiden Flüssigkeiten anschließend wieder voneinander? Der Grund dafür ist, dass die Grenzflächenspannung zwischen Öl und Wasser am geringsten ist, wenn beide Flüssigkeiten in zwei klar getrennten Phasen vorliegen.
Wenn Du eine Emulsion erzeugst, wird die Oberfläche (und damit die Phasengrenze) des gesamten Systems größer. Dadurch steigt auch die Gesamtenergie des Systems, da jetzt eine größere Grenzflächenspannung herrscht. Indem Du die beiden Flüssigkeiten also schüttelst, fügst Du dem System Energie zu. Natürlich strebt auch dieses System den energieärmsten Zustand an, daher trennen sich die beiden Flüssigkeiten mit der Zeit wieder.
Grenzflächenspannung – Denn es muss Grenzen geben
Die Grenzflächenspannung ist das Ergebnis der Kohäsion, die von den Anziehungskräften zwischen den Molekülen kommt. Sie entsteht, weil die Oberflächenmoleküle ständig ins Innere der Phase gezogen werden.
Die Moleküle einer Flüssigkeit ziehen sich gegenseitig an. Beim Wasser sind die Dipol-Dipol-Wechselwirkungen und die dadurch entstehenden Wasserstoffbrückenbindungen dafür verantwortlich. Die einzelnen Fettsäuren werden über Van der Waals Kräfte zusammengehalten.
Wenn Du mehr zu diesen beiden Kräften und zur Kohäsion lesen willst, schau Dir doch mal die entsprechenden Erklärungen dazu an.
Innerhalb der Flüssigkeit hebt sich die Kohäsionskraft der einzelnen Moleküle gegenseitig auf, da sie in alle Raumrichtungen wirkt.
An der Phasengrenze der beiden Flüssigkeiten ist die Frustration allerdings groß: Nach vorn hin sind keine artgleichen Moleküle mehr verfügbar, sondern nur noch seitlich und nach innen gerichtet. Gegenüber treffen sie nur auf Moleküle, die völlig anders aufgebaut sind, sodass keine anziehende Wechselwirkung zwischen ihnen stattfinden kann.
Die Lage ist angespannt, da die Grenzflächenmoleküle möglichst dem artfremden Stoff entkommen wollen. Die beiden Flüssigkeiten versuchen jeweils ihre Oberfläche zu verringern, um keine Energie zu verschwenden. Du kannst Dir Grenzflächen also wie eine Wand vorstellen, an dem kein Austausch zwischen den beiden unterschiedlichen Stoffen besteht.
Oberflächenspannung und die Phasengrenze von Wasser
Ein schönes Beispiel für die Grenzflächenspannung ist die Oberflächenspannung, die Du bestimmt schon vom Wasser kennst. Sie ist unter anderem der Grund dafür, dass Regen in Tropfenform auf uns herabkommt. Bestimmt hast Du auch mal versehentlich (oder zum Spaß) ein Glas mit zu viel Wasser befüllt und musstest vorsichtig die Wölbung abtrinken.
Als Oberflächenspannung wird die Grenzflächenspannung zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas bezeichnet.
Bewegt sich ein Wassermolekül aus dem Inneren einer Phase nach außen, um einen Platz an der Oberfläche einzunehmen, braucht es genug Energie, um einen Teil der Dipol-Dipol-Momente zu überwinden. Weil an der Oberfläche von der gegenüber liegenden Seite keine Kräfte wirken, werden die Anziehungskräfte, die das Molekül wieder nach innen ziehen, nicht aufgehoben. Andersherum ist es sehr vorteilhaft für ein Wassermolekül in das Innere der Phase zu flüchten, weil dadurch Energie frei wird.
Ein interessantes Ergebnis der Oberflächenspannung ist die Kapillarwirkung. In sogenannten Kapillaren, also dünnen Röhrchen, steigt Wasser von allein nach oben. Das siehst Du zum Beispiel, wenn Du einen Strohhalm in Deine Cola steckst. Wenn Du mehr zu dem Thema lesen willst, schau Dir gern die Erklärung dazu an.
Grenzflächenaktivität – Die Grenzflächenspannung kann bezwungen werden
Du kannst die Grenzflächenspannung herabsenken, indem Du ein grenzflächenaktives Molekül in das System einführst.
Als Grenzflächenaktivität wird die Eigenschaft eines Stoffs bezeichnet, die Grenzflächenspannung zu reduzieren und als "Brücke" zwischen zwei Phasen zu dienen.
Ein solcher Stoff ist beispielsweise Ethanol. Interessant an Ethanol und anderen Alkoholen ist, dass sie eine polare und eine unpolare Seite haben. Die OH-Gruppe ist polar, daher kannst Du Ethanol und Wasser mischen. Die Kohlenwasserstoffkette ist unpolar, also kannst Du auch Öl und Ethanol miteinander mischen.
Wenn Du in einen Behälter mit Öl und Wasser einen Schuss Ethanol gibst, entsteht eine homogene Phase, weil sich plötzlich alle Stoffe miteinander mischen lassen. Das Ethanol funktioniert also als Vermittler zwischen Wasser und Öl und bringt diese zusammen. Aus diesem Grund kannst Du es auch so gut zum Spülen von Becher- und Reagenzgläsern benutzen.
Den gleichen Effekt kannst Du auch mit Emulgatoren erreichen. Sie werden vor allem von den Lebensmittel- und Kosmetikindustrien verwendet. In Form von Tensiden kennst Du sie vor allem aus Deinem Badezimmer und der Küche, denn sie stecken in Seife und Waschmittel. Aber auch in vielen Lebensmitteln sind die enthalten, da sie Öle und Wasser dauerhaft als Emulsion binden.
Wenn Du mehr zu den Tensiden erfahren willst, schau Dir mal die Erklärung dazu an.
Phasengrenze – Das Wichtigste
- Als Phasengrenze wird die Trennlinie zwischen zwei nicht mischbaren Phasen bezeichnet.
- Eine Phasentrennung kann zwischen einem Stoff unterschiedlichen Aggregatzustands oder zwischen zwei nicht mischbaren Stoffen entstehen.
- Gleiches löst sich in Gleichem
- Polare Stoffe lösen sich in polaren Flüssigkeiten.
- Unpolare Stoffe lösen sich in unpolaren Flüssigkeiten.
- Nicht mischbare Stoffe können als Emulsion vorliegen, bei der einer der Stoffe kleine Tropfen bildet, die von der anderen Flüssigkeit umgeben sind.
Nachweise
- Ralph-Dieter Maier; Michael Schiller. (2016) Handbuch Kunststoff Additive. Hanser Fachbuchverlag.
- J. T. Davies (1951). Stabile Kontaktpotentiale an der Grenzfläche Öl-Wasser. Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie.
Erklärungen 
Magazine 
