Kritische Mizellbildungskonzentration erklärt

Abbildung 1: Die Messung der kritischen Mizellbildungskonzentration hilft bei der Formulierung von Waschmitteln, um die beste Wirkung bei möglichst geringem Ressourceneinsatz zu erreichen.

Ist die Grenzfläche mit Tensiden gesättigt, formen überschüssige Tensidmoleküle Mizellen in der flüssigen Phase. Die Konzentration, bei der die ersten Mizellen gebildet werden, wird als kritische Mizellbildungskonzentration (kurz CMC) bezeichnet. Sie kann anhand einer Messreihe mit verschiedenen Tensidkonzentrationen ermittelt werden. In der Praxis ist die kritische Mizellbildungskonzentration ein wichtiger Indikator dafür, wie viele Tenside einer bestimmten Mischung zugegeben werden müssen, um ressourcenschonend die größte Wirkung zu erzielen.

Was sind Tenside?

Tenside sind grenzflächenaktive Stoffe und bestehen aus einem hydrophoben und einem hydrophilen Molekülteil. Sie lagern sich bevorzugt an der Grenzfläche zwischen zwei Phasen an. Sie setzen die Grenzflächenenergie der Phasen herab, sodass weniger Energie nötig ist, um die Grenzfläche zu vergrößern und ermöglichen so eine bessere Vermischung zweier Phasen (siehe: Wie Tenside die Grenzfläche beeinflussen).

Was sind Mizellen und wie bilden sie sich?

Tensidmoleküle lagern sich gerne an der Grenz- oder Oberfläche zwischen zwei Phasen an. Finden Tensidmoleküle allerdings keinen Platz mehr an der Grenzfläche, weil diese mit Tensidmolekülen gesättigt ist, lagern sich die Tenside in der flüssigen Phase in Gruppen zusammen. Diese Gruppierungen aus Tensiden werden Mizellen genannt. Ist die umgebende Flüssigkeit polar, lagern die Moleküle ihre unpolaren Ketten zusammen, sodass ihre polaren Kopfgruppen in die flüssige Phase ragen (vgl. Abbildung 2). Ist die umgebende Flüssigkeit unpolar, bilden sich sogenannte inverse Mizellen, bei denen die Kopfgruppen zusammengelagert und die unpolaren Kohlenwasserstoffketten zu der umgebenden Phase ausgerichtet sind.

Mizellen können verschiedene Formen annehmen. Eine gängige Form sind Kugelmizellen, in denen die Tenside kugelförmig angeordnet sind (vgl. Abbildung 2). Bei Variation von Parametern wie Temperatur und Systemzusammensetzung können sie allerdings auch elongierte bis hin zu wurmartigen Strukturen ausbilden. In Flüssigkristallen treten auch Schichtstrukturen von Tensidmolekülen auf.

Abbildung 2: Kugelmizellen sind eine der gängigsten Mizellenformen. Hier sind die unpolaren Kohlenwasserstoffketten zusammengelagert, und die polaren Molekülköpfe ragen nach außen in die umgebende polare Flüssigkeit.

Was ist die Kritische Mizellbildungskonzentration (CMC)?Die kritische Mizellbildungskonzentration (auch CMC vom englischen critical micelle concentration) ist die Tensidkonzentration, bei der die Bildung von Mizellen beginnt. Sie kann für eine Tensidlösung ermittelt werden, indem bei verschiedenen Tensidkonzentrationen die Grenz- oder Oberflächenspannung gemessen wird.
Mit der Zugabe von Tensiden nimmt die Grenz- oder Oberflächenspannung ab, bis die kritische Mizellbildungskonzentration erreicht und die Grenzfläche mit Tensiden gesättigt ist. Ist die kritische Mizellbildungskonzentration erreicht, bleibt die Grenz- oder Oberflächenspannung konstant, da sich die Anzahl der Tensidmoleküle in der Grenzfläche nicht mehr verändert.
Mit Hilfe eines logarithmischen Diagramms lässt sich die kritische Mizellbildungskonzentration graphisch bestimmen: auf der y-Achse wird der Wert der Grenz- oder Obeflächenspannung, und auf einer logarithmischen x-Achse die Tensidkonzentration eingetragen.
In der logarithmischen Auftragung findet man zwei Bereiche: zum einen die sinkende Grenz- oder Oberflächenspannung, bevor die kritische Mizellbildungskonzentration erreicht ist, zum anderen die gleichbleibende Grenz- oder Oberflächenspannung, nachdem die kritische Mizellbildungskonzentration erreicht wurde (vgl. Abbildung 3). Durch das Anlegen entsprechender Ausgleichsgeraden kann daher am Schnittpunkt die kritische Mizellbildungskonzentration (CMC) abgelesen werden.

									
										
											
											
										
									
								
Abbildung 3: Die Oberflächenspannung ist abhängig von der Konzentration des Tensids. Ist die kritische Mizellbildungskonzentration (CMC) erreicht, bleibt die Oberflächenspannung bei weiterer Zugabe von Tensiden konstant.
Die kritische Mizellbildungskonzentration in der PraxisDie Kenntnis der kritischen Mizellbildungskonzentration ist in vielen Branchen von entscheidender Bedeutung, da sie ein Maß für die Effizienz, Stabilität und Wirksamkeit der Tenside darstellt.
Quantitative Messungen der kritischen Mizellbildungskonzentration können Herstellern von Waschmitteln und Reinigungslösungen helfen, eine erhöhte Reinigungseffizienz ihrer Produkte zu erreichen. Die Bestimmung der kritischen Mizellbildungskonzentration ermöglicht es, Tenside in möglichst niedriger Konzentration einzusetzen. So kann eine hohe Reinigungskraft bei gleichzeitig geringem Tensidverbrauch sichergestellt werden.
Bei der Formulierung von Medikamenten ist die Dispergierbarkeit oft eine Herausforderung. Hier kommt die kritische Mizellbildungskonzentration ins Spiel, um die Bildung von Mizellen zu fördern, die dann den Wirkstoff einschließen können. Dies ermöglicht die Herstellung von Arzneimitteln mit besserer Bioverfügbarkeit.
In der Lebensmittelverarbeitung werden Emulgatoren benötigt, um Fette in Wasser zu dispergieren. Die kritische Mizellbildungskonzentration ist entscheidend, um die optimale Konzentration dieser Emulgatoren zu bestimmen. Stabile Mizellen sorgen für eine langanhaltende Emulsion, was wichtig ist für Produkte wie Margarine oder Eiscreme.
In Umweltschutzanwendungen wird die Mizellenbildung genutzt, um schädliche Substanzen aus Boden und Wasser zu entfernen. Mizellen können Schadstoffe umhüllen und in wasserlösliche Formen überführen, was die Reinigung von Umweltverschmutzungen unterstützt.
In der Erdölindustrie werden Tenside mit Hilfe der kritischen Mizellbildungskonzentration  charakterisiert. Diese Tenside bilden Mizellen, die dazu beitragen, Erdöl aus porösen Gesteinsschichten zu mobilisieren. Dadurch wird die Förderung von Erdöl effizienter und wirtschaftlicher.
Bei der Färbung von Textilien werden Tenside und Farbstoffe oft gemeinsam verwendet. Die Genaue Kenntnis der kritischen Mizellbildungskonzentration hilft dabei, die optimalen Bedingungen für die Färbung zu finden. Dies trägt zur gleichmäßigen Färbung der Textilien bei.

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