Silicone als Antischaummittel

1. Experiment ist im WACKER-Schulversuchskoffer enthalten	ja
2. Versuchsvorschrift wurde modifiziert	ja, stark ergänzt
3. Eigene Versuchsvorschrift wurde entwickelt	ja
4. Video-Clip verfügbar	ja: 2 (wmv 1, wmv 2 oder mov 1, mov 2)
5. Flash-Animation verfügbar	nein
6. Weitere Materialien: Arbeitsblätter 3, Arbeitsblätter 10, Folie DH6

1 Materialien, Chemikalien, Zeitbedarf

2 Schnappdeckelgläser mit Deckel
3 Reagenzgläser + Reagenzglasständer
Glaswanne
Büroklammer
Tropfpipette

Spülmittel (Tensidlösung)
Olivenöl
Antischaumemulsion AS-EM SRE aus dem WACKER-Schulversuchskoffer

Insgesamt sollte für die folgenden Versuche ca. eine Stunde Versuchszeit einkalkuliert werden.

2 Versuchsdurchführung und -beobachtung

Variante a:
Zwei Schnappdeckelgläschen werden zu je 2/3 mit Wasser gefüllt und mit einigen Tropfen Spülmittel versetzt. Nach dem Verschließen wird kräftig geschüttelt. Es wird beobachtet, wie sich der Schaum im Laufe der Zeit verändert.

Bei der Zugabe von Spülmittel bilden sich klare Lösungen. Beim Schütteln entsteht jeweils im oberen Drittel des Schnappdeckelglases Schaum. Dieser besteht zuerst aus kleinen kugelförmigen Blasen, welche sich mit zunehmender Zeit zu größeren Polyederblasen vereinigen.

Nun lässt man eines der Schnappdeckelgläser mit Schaum als Vergleichsprobe stehen und gibt in das zweite einen Tropfen der Antischaumemulsion AS-EM SRE aus dem WACKER-Schulversuchskoffer hinzu. Man beobachtet den Schaum.

Bei Zugabe der Antischaumemulsion löst sich Schaum sehr schnell auf. Dabei ist ein Knistern (entweichende Luft) zu hören. Es bildet sich eine leicht trübe Lösung. Beim nochmaligen Schütteln bildet sich erneut etwas Schaum, der jedoch sofort wieder zusammen fällt.

Variante b:
Man füllt eine mittelgroße Glasschale mit Wasser und legt vorsichtig eine unbehandelte dünne Büroklammer (oder Nähnadel) auf die Oberfläche des Wassers. Anschließend gibt man mit einer Pipette am Rand der Glasschale einige Tropfen Wasser hinzu und beobachtet die Klammer.
Beim Zufügen von Wasser schwimmt die Büroklammer weiterhin auf der Wasseroberfläche.

Danach fügt man einige Tropfen der hergestellten Tensidlösung aus Variante a hinzu. Bei der Zugabe der Tensidlösung kann man beobachten wie die Büroklammer langsam tiefer in die Oberfläche des Wassers einsinkt, bis sie plötzlich ganz untergeht.
Der gleiche Versuch wird mit der zweiten Lösung aus Variante a (Tensidlösung + Antischaumemulsion) wiederholt. Auch diesmal geht die Büroklammer unter.

Variante c:
In einem Reagenzglas werden 2 ml Wasser und 0,5 ml Olivenöl kräftig durchgeschüttelt. Das Reagenzglas wird in den Ständer gestellt und die Entmischung beobachtet.
Die Mischungsversuche werden mit zwei weiteren Proben wiederholt, in die man etwas Tensidlösung aus Variante a bzw. etwas Tensid- und Antischaumlösung aus Variante a hinzufügt.

Beim Schütteln bilden sich gelbliche Emulsionen. Ohne Tensidlösung entmischt sich die Emulsion schnell wieder und es entsteht eine Öl- und eine Wasserphase (vgl. Foto oben rechts - linkes Reagenzglas). Mit Tensidlösung bleibt die Emulsion länger bestehen und es tritt keine merkliche Entmischung auf (mittleres Reagenzglas). Gleiches ist bei der Lösung mit Antischaummittel zu beobachten. Im Unterschied zur reinen Tensidlösung bildet sich aber fast kein Schaum (rechtes Reagenzglas).

3 Versuchsauswertung

Hinweis: Die theoretischen Grundlagen zur Wirkungsweise der Tenside und zur Schaumildung werden in Teil 5 Ergänzende Sachinformationen erörtert. Dieser Teil sollte ggf. vor den folgenden Auswertungen der Varianten a bis c gelesen werden.

Variante a:
Tensidlösungen neigen zur Schaumbildung.
Dabei bildet sich, wie im Versuch beobachtet, zuerst Kugelschaum, welcher dann in Polyederschaum übergeht. Durch Zugabe der Antischaumemulsion wird der Schaum zerstört und weitere Schaumbildung verhindert.
Auf die weiteren Eigenschaften der Tensidlösung, wie etwa die Stabilisierung von Emulsionen und die Herabsetzung der Oberflächenspannung des Wassers hat die geringe Zugabe der Antischaumemulsion keinen Einfluss (vgl. dazu auch Varianten b und c).

Variante b:
Aufgrund der Oberflächenspannung schwimmt die Büroklammer auf dem Wasser, da die Oberflächenspannung größer ist als die auf die Büroklammer wirkende Schwerkraft.
Auch der Wasserläufer (vgl. Foto) verdankt seine besondere Fähigkeit dieser Oberflächenspannung.
Eine zusätzliche Kraft (Druck von oben auf die Büroklammer) oder die Herabsetzung der Oberflächenspannung durch Zugabe eines Tensids erzwingen das Untergehen der Büroklammer.

Variante c:
Tenside stabilisieren aufgrund ihrer Struktur durch Bildung von Fett/Tensid-Micellen die Öl/Wasseremulsion. Deshalb sind diese Emulsionen wesentlich beständiger als die reine Öl/Wasseremulsion. Aufgrund dieses Effekts (Bildung von Fett/Tensid-Micellen) und der Herabsetzung der Oberflächenspannung des Wasser bilden Tenside den wichtigsten Grundbaustein für Waschmittel.
Die Tensidlösung mit Antischaummittel verhält sich bis auf die geringere Schaumbildung genauso wie die Tensidlösung. Das ist auf das sehr gute Spreitungsvermögen des Silicon-Entschäumers zurückzuführen, der die Tensid-Teilchen aus den Häuten der Schaumblasen verdrängt und somit ihren Kollaps verursacht.

4 Tipps und Anmerkungen

Beim Büroklammerversuch muss die Büroklammer vollkommen trocken und sauber sein, da sie sonst sofort untergeht.
Zusätzlich zu den hier beschriebenen Versuchen können noch weitere Versuche aus dem Begleitheft zum WACKER-Schulversuchskoffer und aus dem Lehrbuch CHEMIE S II (vgl. 6 Literatur) zum Thema Tenside durchgeführt werden.
Die hier beschriebenen Versuche mit Antischaummitteln ergänzen und vertiefen die schulüblichen Versuche mit Tensiden und gehen auf praxisrelevante Forderungen an moderne Waschmittel ein.
Die Erklärung der Wirkungsweise von Antischaummitteln ist ein Musterbeispiel für die Relation Teilchenstruktur - Stoffeigenschaften und sollte in diesem Sinne didaktisch genutzt werden.
Die drei Varianten dieses Versuchs eignen sich als Schülerversuche und könnten beispielsweise nach der Methode des Lernens in Stationen von Gruppen durchgeführt und ausgewertet werden. Die verallgemeinernde Theorie erfolgt am Schluss gemeinsam.

5 Ergänzende Sachinformationen

Diese Versuche dienen der Untersuchung des Einflusses von Tensiden auf die Oberflächenspannung des Wassers und die damit verbundenen Effekte wie Schaumbildung, Emulsionsfähigkeit u.a. Damit zusammenhängend wird als wichtige praktische Anwendung für die Wirkung von Siliconölen als Antischaummittel untersucht.
So werden Siliconöle beispielsweise bei Kühen eingesetzt, die unter Blähsucht leiden. Bei der Blähsucht handelt es sich um ein Auftreiben des Bauches, das durch übermäßige Schaumbildung verursacht wird. Schuld an der übermäßigen Schaumbildung sind sapoinhaltige Pflanzen, die mit dem Wasser und dem Darmgas einen Schaum bilden.
Gerade Silicone bieten sich hier als Medikamente an, da sie bis auf wenige Ausnahmen keinerlei toxischen Eigenschaften besitzen.

Zur Struktur und Wirkungsweise von Tensiden
An der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft tritt eine Kraft auf, die auf den Anziehungskräften (Dipol-Dipol Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen) zwischen den Wasser-Molekülen beruht. Da jedes Wasser-Molekül von der Oberfläche mit den anderen Wasser-Molekülen, die "unter" ihm, d.h. im Inneren der Flüssigkeit und "neben" ihm in der Grenzschicht liegen, stärker wechselwirkt als mit den Molekülen "über" ihm aus der Luft, kommt es zur so genannten Oberflächenspannung. Sie äußert sich in dem Bestreben der Flüssigkeit, ihre Oberfäche möglichst klein zu halten.
Tenside sind Substanzen, welche die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit herabsetzen. Wie im angegebenen Modell eines Tensid-Teilchens zu sehen ist, verfügt dieses über einen hydrophoben und einen hydrophilen Teil.

An der Wasseroberfläche ordnen sich die Tensidteilchen so an, dass jeweils der hydrophile Kopf in das Wasser eintaucht, während der hydrophobe Schwanz aus der Wasseroberfläche strebt. Da die Anziehungskräfte zwischen den unpolaren Kohlenwasserstoff-Resten aus den Tensid-Teilchen wesentlich geringer sind als zwischen den Wassermolekülen, sinkt die Oberflächenspannung des Wassers. Im Inneren der Flüssigkeit bilden sich Micellen aus (vgl. Skizze unten links).

Emulsionen werden durch Tenside stabilisiert, Schmutzteilchen aus Fett oder Öl werden von Oberflächen abgeführt und in der flüssigen Phase emulgiert bzw. dispergiert (vgl. Skizzen a und b).

Schaum
Durch die Anreicherung der Wasseroberfläche mit Tensid-Teilchen wird diese jedoch immer "luftähnlicher", was zur Entwicklung von Schaumblasen (Kugelschaum - vgl. Skizze unten links) führt. Zunehmendes Abfließen der Flüssigkeit lässt die Blasen immer dünner werden, die Gasblasen rücken enger zusammen, deformieren sich gegenseitig und werden zu Polyedern (Polyederschaum - vgl. Versuchsbeschreibung, Variante a) bis sie schließlich zusammenfallen.
Die Luftblasen bleiben jedoch stabil, falls das Tensid ein vollständiges Ablaufen der Flüssigkeit aus der Lamelle verhindert.
Es gibt jedoch Anwendungen der Tenside, bei denen ihre Neigung zur Schaumbildung eher unerwünscht ist. Bei modernen Waschmaschinen ist die Schaumunterdrückung mitentscheidend für das Waschergebnis.
Siliconöle wirken als Antischaummittel. Antischaummittel zeichnen sich durch eine niedrige Oberflächenspannung, schlechte Löslichkeit im zu entschäumenden Medium und einen positiven Eindring- und Spreitungskoeffizienten aus. Die Teilchen (Moleküle) des Entschäumers verdrängen die Tensidmoleküle von der Oberfläche der Lamelle und ersetzen sie durch einen neuen Film mit geringerer Oberflächenspannung und geringeren Kohäsionskräften (vgl. Skizze unten rechts).

Die Wirkung kann durch hydrophobe Festkörper noch verstärkt werden. Hierbei dient die Entschäumerflüssigkeit als Transportmittel, um die Feststoffteilchen in die Schaumlamelle zu bringen. Dort wirken sie als Fremdkörper, die einerseits die Tensidmoleküle absorbieren und andererseits die Kohäsionskräfte vermindern. Als Festkörper ist beispielsweise hochdisperse Kieselsäure bei Siliconölen sehr gut geeignet.

6 Literatur

M. Tausch, M. von Wachtendonk (Hrsg.), CHEMIE S II, STOFF-FORMEL-UMWELT, C.C. Buchner, Bamberg (1993), (1998)
M. Tausch, M. von Wachtendonk (Hrsg.), STOFF-CHEMIE S I, FORMEL-UMWELT, C.C. Buchner, Bamberg (1996), (1997)
W. Held et al., Begreifen und verstehen - Schulversuche mit WACKER-Produkten (Begleitheft zum WACKER-Schulversuchskoffer), Wacker Chemie AG, München, (2007)