Trübungspunkt – Definition, Mechanismus und Messmethoden

Mechanismus der Löslichkeit von Tensiden in Wasser

Die Löslichkeit ist eine physikalische Eigenschaft chemischer Verbindungen, die in erster Linie von der Art der gelösten Substanz und der Lösung, in der sie gelöst wird, abhängt. Sie wird unter anderem durch die Temperatur der verwendeten Lösung und den angewendeten Druck beeinflusst. Der Lösungsmechanismus ist unterschiedlich und kann je nach der gelösten Substanz mit folgenden Faktoren zusammenhängen:

• Dissoziation und Bildung von Ionen bei ionischen Verbindungen,
• Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen und Ether-Sauerstoff in der Oxyalkylengruppe bei nichtionischen Verbindungen.

Darüber hinaus gibt es Zusammenhänge, die bei der Betrachtung der Löslichkeit von Tensiden zu erwähnen sind:

• Je mehr Ethergruppen in einem Molekül eines oberflächenaktiven Stoffes vorhanden sind, desto größer ist seine Löslichkeit in Wasser. Dies ist auf die zunehmende Hydrophilie zurückzuführen.
• Je höher die Temperatur, desto geringer die Löslichkeit, was zu einer Trübung der Lösung führt.

Die Temperatur, bei der sich in der Lösung zwei Phasen zu trennen beginnen und die Lösung inhomogen wird, ist der Trübungspunkt.

Das Vorhandensein von anorganischen Salzen im Wasser kann die Trübungstemperatur von Lösungen oberflächenaktiver Verbindungen senken.

Um eine Senkung der Trübungstemperatur zu verhindern, werden Hydrotrope verwendet, eine spezielle Gruppe chemischer Verbindungen.

Was sind Hydrotrope?

Es handelt sich um Substanzen, die die Löslichkeit chemischer Verbindungen in Wasser verändern können. Sie zeichnen sich durch Amiphilie aus, d. h. sie besitzen sowohl einen hydrophoben als auch einen hydrophilen Teil im Molekül. Oberhalb einer bestimmten Konzentration, der sogenannten hydrotropen Konzentration, bilden sie Mizellen. Zu ihren Hauptfunktionen gehört daher die Verhinderung der Ausfällung von Bestandteilen aus Formulierungen, die reich an Tensiden sind, bei niedrigen Temperaturen. Sie selbst ähneln in ihrer Struktur den Tensiden, haben jedoch einen kürzeren hydrophoben Schwanz.

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Flockung und Koagulation

Tenside in Form von Mizellen neigen wie alle kolloidalen Lösungen unter bestimmten Bedingungen dazu, sich zu größeren Aggregaten zusammenzulagern. Die Koagulation führt zu einer Verringerung der Grenzfläche, was zur Trennung der einzelnen Phasen führt. Die Flockung führt ebenfalls zur Bildung größerer Aggregate, die sich jedoch frei im Dispersionsmedium bewegen können. Ein Faktor, der diesen Prozess beeinflusst, ist die Beschaffenheit der elektrischen Doppelschicht um die Mizellen.

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Nichtionische Tenside

Der Verlauf der Prozesse zur Bildung größerer Aggregate hängt stark von der Hydratationsfähigkeit der -OH- oder -(CH2CH2O)n-Gruppen ab. Mit steigender Temperatur nimmt der Hydratationsgrad ab. Dies führt zur Flockung der mizellaren Lösungen der Tenside und zur anschließenden Vermischung der Phasen untereinander.

Während dieses Prozesses kann man die Abscheidung einer transparenten wässrigen Phase beobachten, die praktisch keine oberflächenaktiven Substanzen enthält, sowie einer deutlich trüben Phase, die eine sehr konzentrierte kolloidale Lösung des Tensids enthält. Die Trübung der Lösung ist also eine Folge der Anwesenheit großer Tensidaggregate, die das durch die Lösung hindurchtretende sichtbare Licht streuen. Die Phasentrennung kann in einem bestimmten Temperaturbereich in der Nähe des Trübungspunktes beobachtet werden.

Gemische aus anionischen und kationischen Tensiden

Das Phänomen der Trübung der Lösung ist auch in Gemischen aus anionischen und kationischen oberflächenaktiven Substanzen zu beobachten, entsteht jedoch aufgrund anderer Mechanismen. Je nach dem Verhältnis der in der Lösung vorhandenen anionischen und kationischen Tenside sowie der Anwesenheit von Elektrolyten kann das System eine klare mizellare Lösung oder ein Präzipitat-Koazervat-System mit unterschiedlichen Gleichgewichten darstellen.

Je nach Zusammensetzung der verwendeten Komposition kann mit Hilfe eines charakteristischen Diagramms die Beziehung zwischen der Trübungstemperatur und dem Molanteil eines der Bestandteile dargestellt werden. Empirische Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Anstieg des Anteils an anionischen Tensiden von ~0,47 auf ~0,51 zu einer Senkung des Trübungspunktes führt. Bei einem Anteil von ~0,51 bis ~0,57 wurde hingegen ein Anstieg des CP beobachtet. Allgemein lässt sich auch sagen, dass die Anwesenheit von Elektrolyten in der Lösung zu einer Senkung der Trübungstemperatur führt.

Trübungspunkt – Umkehrbarkeit der Umwandlung

Lösungen von oberflächenaktiven Verbindungen werden beim Erhitzen trüb, aber dank der Umkehrbarkeit der Umwandlung werden sie beim Abkühlen ab einer bestimmten Temperatur wieder klar.

Was beeinflusst die Trübungstemperatur?

1. Verunreinigungen: Je mehr Verunreinigungen in der Lösung vorhanden sind, desto niedriger ist die Trübungstemperatur. Zusätzliche Partikel stören die Struktur und erschweren die Bildung von Mizellen.
2. Druck: Je höher der Druck, desto höher die Trübungstemperatur. Hohe Drücke begünstigen die Bildung kompakterer Strukturen.
3. Lösungsmittel,
4. Tensid: Bei den gängigsten nichtionischen Tensiden gelten folgende Zusammenhänge:
   1. Chemische Struktur – Länge der hydrophoben Kette,
   2. Grad der Oxyethylierung

Je länger die hydrophobe Kette und je geringer der Oxyethylierungsgrad, desto niedriger die Trübungstemperatur.

Methoden zur Bestimmung des Trübungspunktes

1. 1. Visuelle Methoden
      1. Visuelle Beobachtung während der schrittweisen Erwärmung der Lösung,
      2. Verwendung spezieller Geräte, die die Technik der kontrollierten Erwärmung anwenden,
   2. Spektralphotometrische Methoden
      1. Messung der Absorption oder Transmission von Licht, die sich bei Temperaturänderungen verändern,

Bedeutung des Parameters Trübungstemperatur

• Lebensmittel- und Chemieindustrie, einschließlich der Bestimmung der Eigenschaften von Formulierungen oberflächenaktiver Verbindungen.
• Qualitätskontrolle von Kraftstoffen und Ölen,
• Bestimmung der Eigenschaften von Materialien, beispielsweise Polymeren und Fetten,