Physikalische Chemie

Emulsion

Was eine Emulsion im chemischen wie auch im physikalischen Sinne ist, das erfährst du genau hier!

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Inhaltsübersicht

Emulsion einfach erklärt

Eine Emulsion ist ein fein verteiltes Gemisch zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten. Mischt du zweier solcher Flüssigkeiten, dann bildet die eine Flüssigkeit kleine Tröpfchen, verteilt in der anderen Flüssigkeit aus. Die tröpfchenbildende Flüssigkeit heißt disperse oder innere Phase. Die Phase, in der die Tröpfchen schwimmen, heißt äußere oder kontinuierliche Phase. Emulsionen unterscheiden sich von Gemischen mischbarer Flüssigkeiten. Meistens handelt es sich bei ihnen um milchige, trübe Flüssigkeiten. 

Emulsion Definition

Eine Emulsion ist eine Art Gemisch zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten. In der Wissenschaft bezeichnet ein Gemisch eine Substanz die aus mindestens zwei Reinstoffen besteht. Solche Gemische werden nach dem Grad der Vermischung, in homogene oder heterogene Gemische unterschieden. Je nach Aggregatzustand (fest, flüssig, gasförmig) handelt es sich um verschiedene Arten von Gemischen. 

Homogene Gemische sind auf molekularer Ebene vermischte Reinstoffe. Das heißt, dass man sie nach dem vermischen nicht mehr voneinander unterscheiden kann.

Heterogene Gemische sind nicht vollendet miteinander vermischt. Die einzelnen Reinstoffe liegen in klar abgegrenzten Phasen vor. Sowas siehst du im Alltag wenn du Öl in Wasser mischst.  Das Öl schwimmt als Tröpfchen im Wasser. Das sind die beiden voneinander abgegrenzten Phasen.

Definition

Eine Emulsion ist ein fein verteiltes, heterogenes Gemisch mindestens zweier Flüssigkeiten.

Emulsion Chemie

Um die Emulsion aus chemischer Sicht zu verstehen, musst du wissen, dass die meisten Flüssigkeiten entweder gut mit Wasser (hydrophil) oder mit Öl (lipophil) mischbar sind. Um sich zu binden, bilden hydrophile Flüssigkeiten hauptsächlich Wasserstoffbrücken aus. Bei den lipophilen Flüssigkeiten hingegen, bilden sich hauptsächlich zwischenmolekulare Van-der-Waals-Kräfte aus. Mischst du zum Beispiel Öl und Wasser und keine der Phasen ist fein verteilt in der anderen, bilden sich zwischen den beiden Phasen weder Wasserstoffbrücken noch Van-der-Waals-Kräfte aus. Zwischen beiden Phasen bildet sich eine Grenzflächenspannung. Diese sorgt für das Ausbilden einer möglichst kleinen Grenzfläche zwischen beiden Phasen und verhindert somit die Entstehung einer Emulsion.

Um eine Emulsion herzustellen, brauchst du daher so genannte Tenside. Das sind Substanzen, welche die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit beziehungsweise die Grenzflächenspannung zwischen zwei Phasen herabsetzen.

Bringst du ins Öl-Wasser-Gemisch ein Tensid ein, wird dadurch die Phasengrenzfläche zwischen Öl und Wasser deutlich gesenkt. Tenside haben einen hydrophilen (polaren) und einen lipophilen (unpolaren) Anteil. Der polare Teil bildet Wasserstoffbrücken und verbindet sich mit den hydrophilen Stoffen, während der unpolare Teil Van-der-Waals-Kräfte ausbildet und sich mit den lipophilen Stoffen verbindet. Das heißt ein Teil des Tensids bindet sich ans Wasser während der andere sich ans Öl bindet. Auf diese Weise vermitteln Tenside zwischen den beiden Stoffen. Damit erhältst du eine Emulsion.

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Emulsion aus Öl und Wasser

Diese ist jedoch instabil. Die einzelnen Tröpfchen fließen mit der Zeit ineinander und verringern somit die Grenzfläche, bis wieder eine deutliche Phasengrenzfläche zwischen dem Öl und dem Wasser besteht. 

Emulsion Physik

Zur physikalischen Beurteilung deiner Emulsion betrachtest du drei Größen. Die erste ist das Phasenvolumenverhältnis. Hierbei handelt es sich um den Quotienten der inneren zur äußeren Phase. Die anderen beiden sind die mittlere Teilchengröße (Dm) und die Teilchengrößenverteilung.

Phasenvolumenverhältnis

Bis zu einem Volumenverhältnis von 30% der inneren Phase zu 70% der äußeren Phase, werden die Eigenschaften der Emulsion vorrangig durch die äußere Phase festgelegt. 

Steigt das Volumenverhältnis, treten die Eigenschaften der inneren Phase deutlicher hervor. Wird der Volumenanteil der inneren Phase zu hoch, kommt es zur Phaseninversion. Das heißt, dass die Eigenschaften der Emulsion durch die innere und nicht durch die äußere Phase bestimmt werden. Anders gesagt, die innere Phase wird zur kontinuierlichen Phase. Phaseninversion erreichst du zum Beispiel durch Erhöhung der Temperatur. Dadurch werden die Wasserstoffbrücken zwischen den Tensiden und dem hydrophilen Anteil geschwächt. Entsprechend werden die Van-der-Waals-Bindungen der lipophilen Anteile gestärkt.

Tröpfchengröße

Die Größe der Tröpfchen innerhalb deiner Emulsion sind nicht gleich. Vielmehr sind die Größen der Tröpfchen in einer gewissen Spanne verteilt. Der mittlere Teilchendurchmesser (Dm) liegt meist zwischen 100 nm (Nano-Meter) und 1 mm (Millimeter). Desto größer der mittlere Teilchendurchmesser und desto weiter die Größenverteilung, umso milchiger und trüb ist dein Gemisch. 

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Tröpfchengrößen in einer Emulsion

Emulsion Herstellung

Um deine Emulsion herzustellen, musst du die Grenzflächenspannung der enthaltenen Phasenüberwinden, damit du deine Tröpfchen verkleinern und die Grenzfläche vergrößern kannst. Dazu bringst du mechanische Arbeit in dein Gemisch ein und reduzierst die Größe deiner Tröpfchen. Diese mechanische Arbeit bringst du mit deinen Tensiden ins Gemisch ein.

Tenside

Durch Tenside reduzierst du die Grenzflächenspannung deutlich. Die Funktion dieses Tensids ist es zu verhindern, dass die Tröpfchen wieder zusammenfließen. Synthetische Tenside umschließen ein Tröpfchen in wenigen Millisekunden, größere Tenside brauchen dazu Minuten bis zu einer halben Stunden. Die größeren Tenside erhöhen jedoch die Viskosität, was auch zu einer Stabilisierung der Emulsion beiträgt. 

Um das richtige Tensid zu wählen muss man auch dessen Ausbreitungsgeschwindigkeit betrachten. Die Grenzfläche eines Tröpfchens ist anfangs nur teilweise mit Tensiden belegt. Diese breiten sich auf die unbelegten Bereiche des Tröpfchens aus. Dadurch entsteht ein Tensidskonzentrationsgradient an der Grenzfläche. Abhängig von der Ausbreitungsgeschwindigkeit entsteht mehr oder weniger schnell eine ausgeglichene Tensidverteilung auf der Grenzfläche.

Feststoffstabilisatoren

Durch den Zusatz verschiedener Feststoffe ist es dir auch mögliche eine Emulsion zu stabilisieren. Benannt sind diese nach ihrem Entdecker S. U. Pickering, als Pickering-Emulsionen. Wichtig für die Stabilisierung ist, dass sich ein mechanisch stabiler Feststoffilm um die innere Phase bildet.

Emulsion Beispiele

Die wohl bekannteste Emulsion ist das Gemisch aus Wasser und Öl. Gemische aus Wasser und Öl unterscheidet man anhand ihres Mischungsverhältnisses als Wasser-in-Öl-Emulsion (W/O-Emulsion) und Öl-in-Wasser-Emulsion (O/W-Emulsion).

Gibst du Öl ins Wasser siehst du wie das Öl oben aufschwimmt. Die molekularen Kräfte wirken nicht ohne Zugabe des Emulgators. Durch das Tensid senkst du die Grenzflächenspannung an der Öl-Wasser-Phasengrenzfläche. 

Nach Zugabe des Emulgators siehst du wie sich größere Tröpfchen aus der aufschwimmenden Phase lösen und in das Wasser sinken. Nach einer gewissen Zeit siehst du wie diese Tröpfchen immer kleiner werden und die Bereiche zwischen den größeren Tröpfchen ausfüllen. Hat sich die Tensiddichte ausgeglichen, wirst du eine Größenverteilung dieser Tröpfchen sehen, wie weiter oben beschrieben.


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