Anorganische Gelbildner: Siliciumdioxid und Bentonit
Hochdisperses Siliciumdioxid und Bentonit im Vergleich: wie sie Gele bilden, welche Flüssigkeiten sie gelieren und woran man sie unterscheidet.
Das Wichtigste in Kürze
- Hochdisperses Siliciumdioxid und Bentonit sind anorganische Gelbildner, die aus Mineralteilchen ein Gelgerüst aufbauen.
- Hochdisperses Siliciumdioxid bildet Oleogele (etwa aus dickflüssigem Paraffin, transparent) und Hydrogele und erhöht die Viskosität öliger Lösungen.
- Es entsteht durch Hydrolyse von \(\ce{SiCl4}\) in der Knallgasflamme und ist ein amorphes, weißes, wasserunlösliches Pulver mit sehr geringer Schüttdichte.
- Bentonit ist ein aluminiumhaltiger Quellton (Montmorillonit), der in Wasser stark quillt und als Kationenaustauscher ionisch wirkt.
- Bentonitgele bilden ein Laminarkolloidgerüst (Kartenhaus) und sind in der Regel thixotrop; für Oleogele ist Bentonit ungeeignet.
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Worum es geht
Neben organischen Polymeren wie Carbomer gibt es anorganische Gelbildner, die aus Mineralpulvern ein Gelgerüst aufbauen. Die beiden wichtigsten in der Rezeptur sind hochdisperses Siliciumdioxid und Bentonit. Sie unterscheiden sich vor allem darin, ob sie nur Wasser oder auch Öle gelieren können. Grundbegriffe wie Hydrogel und Oleogel setzt diese Seite voraus.
Hochdisperses Siliciumdioxid
Hochdisperses Siliciumdioxid ist ein anorganischer Gelbildner ohne Aluminium. Chemisch ist es reines \(\ce{SiO2}\) und damit kein Silikat wie Bentonit. Seine Stärke ist die Vielseitigkeit: Es geliert lipophile und wässrige Flüssigkeiten gleichermaßen.
Wie das Gelgerüst entsteht
Die winzigen Teilchen tragen an ihrer Oberfläche Silanolgruppen (Si–OH). Zwischen den Silanolgruppen benachbarter Teilchen bilden sich Wasserstoffbrücken. So lagern sich die Teilchen zu Ketten zusammen, die sich zu einem dreidimensionalen Netz verzweigen. Das Netz hält die Flüssigkeit in seinen Maschen fest.
In einem unpolaren Öl stört nichts diese Brücken. In Wasser dagegen besetzen Wassermoleküle selbst die Silanolgruppen und konkurrieren mit den Teilchen-Teilchen-Kontakten. Das Gerüst wird dadurch schwächer, ein Hydrogel braucht deshalb mehr Gelbildner als ein Oleogel.
Beim Rühren brechen die Wasserstoffbrücken auf, in Ruhe knüpfen sie sich neu. Die Gele verflüssigen sich also unter Scherung und verfestigen sich wieder. Dieses thixotrope Verhalten gehört zum Fließverhalten und wird dort erklärt.
Oleogele, Hydrogele und ölige Lösungen
Am häufigsten dient hochdisperses Siliciumdioxid als Gelbildner für Oleogele, auch Lipogele genannt. Typische Grundlagen sind dickflüssiges und dünnflüssiges Paraffin, fette Öle und mittelkettige Triglyceride. Mit öligen Flüssigkeiten entstehen transparente Gele. Weitere lipophile Gele und ihre Gelbildner findest du auf der eigenen Seite.
Darüber hinaus bildet es auch Hydrogele. Schon unterhalb der Gelgrenze ist es nützlich: Es ist ein gebräuchlicher Hilfsstoff, um die Viskosität öliger Lösungen zu erhöhen.
Hochdisperses Siliciumdioxid ist ein Examensklassiker: Es geliert Öle wie dickflüssiges Paraffin ebenso wie Wasser und verdickt ölige Lösungen. Achte auf die Abgrenzung zu Bentonit, das aluminiumhaltig ist und nur Hydrogele bildet.
Mittelkettige Triglyceride mit 10 % hochdispersem Siliciumdioxid sind ein Oleogel und keine Paste. Das Pulver baut hier ein Gerüst auf, statt als großer Feststoffanteil die Konsistenz zu tragen wie in einer Paste.
Herstellung und Stoffeigenschaften
Man gewinnt hochdisperses Siliciumdioxid durch Hydrolyse von \(\ce{SiCl4}\) in der Knallgasflamme. Das Wasser entsteht in der Flamme aus Wasserstoff und Sauerstoff und setzt das Chlorid sofort um:
\[\ce{SiCl4 + 2 H2 + O2 -> SiO2 + 4 HCl}\]
Das Produkt heißt auch kolloidale Kieselsäure. Es ist ein amorphes, weißes Pulver und in Wasser praktisch unlöslich. Die Primärteilchen liegen im Nanometerbereich, also weit unter Größen wie 15 µm. Daraus folgen eine riesige Oberfläche und eine sehr geringe Schüttdichte. Das Pulver kann außerdem Wasser aufnehmen. Mehr zur Beschaffenheit steht bei Siliciumdioxid und Silikaten, seine Rolle als Fließregulierungsmittel bei den Pulvermischungen.
Bentonit
Bentonit ist ein natürlicher Quellton und damit ebenfalls ein anorganischer Gelbildner. Sein Hauptbestandteil ist Montmorillonit, ein aluminiumhaltiges Schichtsilikat. Bentonit besteht also nicht vorwiegend aus Magnesiumsilikaten wie etwa Talkum.
Aufbau und Quellung
Jedes Montmorillonitplättchen ist ein Dreischichtpaket. Zwei Tetraederschichten aus Silicium und Sauerstoff umschließen eine Oktaederschicht mit Aluminium. Die Plättchen sind negativ geladen. Zwischen ihnen sitzen deshalb Kationen wie \(\ce{Na+}\) und \(\ce{Ca^2+}\), die die Ladung ausgleichen.
Gibt man Wasser zu, hydratisiert es diese Zwischenschichtkationen. Die Hydrathüllen drücken die Schichten auseinander, und Bentonit quillt in Wasser stark auf. Man kann sich das wie einen Kartenstapel vorstellen, zwischen dessen Blätter sich Wasser schiebt.
Ein Quellmittel ist ein Hilfsstoff, der Flüssigkeit aufnimmt und bindet und dadurch einer Zubereitung eine halbfeste Konsistenz gibt. Bentonit ist das typische Beispiel, denn er nimmt unter Volumenzunahme Wasser auf. Im weiteren Sinn zählt man auch hochdisperses Siliciumdioxid zu den Quellmitteln für halbfeste Zubereitungen.
Ionischer Gelbildner und Kationenaustauscher
Die Zwischenschichtkationen sind nur locker gebunden. Sie lassen sich gegen andere Kationen aus der Umgebung austauschen. Bentonit wirkt deshalb als Kationenaustauscher und ist ein ionischer Gelbildner. Anders als nichtionische Gelbildner kann er kationische Stoffe binden, etwa quartäre Ammoniumverbindungen wie Benzalkoniumchlorid.
Kartenhaus und Thixotropie
Die Flächen der Plättchen sind negativ, die Kanten positiv geladen. In Ruhe lagert sich deshalb eine Kante an die Fläche des nächsten Plättchens. So entsteht ein lockeres Laminarkolloidgerüst, die Kartenhausstruktur. Sie schließt viel Wasser ein.
Beim Schütteln fallen die Kanten-Flächen-Kontakte auseinander und das Gel wird flüssig. In Ruhe baut sich das Kartenhaus wieder auf. Bentonitgele sind daher in der Regel thixotrop.
Warum Bentonit kein Oleogel bildet
Die Quellung beruht auf der Hydratation der Zwischenschichtkationen. Ein Öl kann diese Ionen nicht solvatisieren. Bentonit quillt darin nicht und baut kein Gerüst auf. Er eignet sich deshalb nicht für Oleogele und ist auch zur Viskositätserhöhung öliger Lösungen nicht gebräuchlich. Dieser Unterschied zu Siliciumdioxid wird im Examen gerne gefragt: Bentonit ist ein reiner Hydrogelbildner mit ionischem Charakter.
- reines \(\ce{SiO2}\), ohne Aluminium
- synthetisch aus \(\ce{SiCl4}\) in der Knallgasflamme
- Gerüst über Wasserstoffbrücken der Silanolgruppen
- Oleogele, Hydrogele, verdickt ölige Lösungen
- natürlicher Quellton, aluminiumhaltiges Schichtsilikat
- quillt stark in Wasser
- ionisch, Kationenaustauscher
- Kartenhausgerüst, nur Hydrogele
Quiz
Aussage 1
Bentonit ist ein ionischer Gelbildner, der seine Zwischenschichtkationen gegen andere Kationen austauschen kann.
Die locker gebundenen Kationen wie \(\ce{Na+}\) und \(\ce{Ca^2+}\) sind austauschbar, Bentonit wirkt als Kationenaustauscher.
Aussage 2
Hochdisperses Siliciumdioxid eignet sich als Gelbildner für ein Oleogel aus dickflüssigem Paraffin.
Seine Teilchen vernetzen über Wasserstoffbrücken zwischen Silanolgruppen und gelieren so auch Paraffine.
Aussage 3
Bentonit besteht überwiegend aus Magnesiumsilikaten.
Hauptbestandteil ist Montmorillonit, ein aluminiumhaltiges Schichtsilikat.
Aussage 4
Zur Herstellung von hochdispersem Siliciumdioxid wird \(\ce{SiCl4}\) in einer Knallgasflamme hydrolysiert.
In der Flamme entsteht Wasser, das \(\ce{SiCl4}\) zu \(\ce{SiO2}\) und \(\ce{HCl}\) umsetzt.
Aussage 5
Bentonit ist ein gebräuchlicher Hilfsstoff, um die Viskosität öliger Lösungen zu erhöhen.
Bentonit quillt nur durch Hydratation seiner Kationen und damit nur in Wasser. Ölige Lösungen verdickt man mit hochdispersem Siliciumdioxid.
Aussage 6
Hochdisperses Siliciumdioxid ist ein aluminiumhaltiges Schichtsilikat.
Es ist reines \(\ce{SiO2}\) ohne Aluminium. Aluminiumhaltiges Schichtsilikat ist Bentonit.
Aussage 7
Eine Mischung aus mittelkettigen Triglyceriden und 10 % hochdispersem Siliciumdioxid ist eine Paste.
Es entsteht ein Oleogel. Das Siliciumdioxid baut ein Gelgerüst auf, statt als großer Feststoffanteil die Konsistenz zu tragen.
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