Disperse Systeme und kolloidale Lösungen
Wie man flüssige Zubereitungen nach der Teilchengröße in molekular-, kolloid- und grobdisperse Systeme einteilt und Kolloide an ihren Eigenschaften erkennt.
Das Wichtigste in Kürze
- Disperse Systeme teilt man nach der Teilchengröße ein: molekulardispers unter 1 nm, kolloiddispers 1 nm bis 1 µm, grobdispers über 1 µm.
- Echte Lösungen (z. B. \(\ce{NaCl}\) 0,9 %, Glucose 5 %, Sirupus simplex, Ethanol-Wasser) und Gasgemische sind einphasig, mizellare Lösungen gelten ebenfalls als einphasig.
- Suspension, Emulsion, Aerosol, Nebel, Rauch und Schaum sind Mehrphasensysteme aus innerer (disperser) und äußerer (kontinuierlicher) Phase; Suspensionen sind grobdispers, Mikroemulsionen und Nanosuspensionen kolloiddispers.
- Kolloidale Lösungen zeigen den Tyndall-Effekt (Opaleszenz bei seitlicher Einstrahlung und rechtwinkliger Betrachtung), sind meist nicht milchig-weiß und nicht über Papierfilter abtrennbar.
- Man unterscheidet Molekülkolloide (Gelatine, Methylcellulose), Dispersionskolloide (Goldsol) und Assoziationskolloide (Mizellen), die sich erst oberhalb der CMC bilden.
Dieses Kapitel ist für Supporter
Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️
Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse
Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.
Worum es geht
Flüssige Zubereitungen reichen von der klaren Infusionslösung bis zur trüben Schüttelmixtur. Ordnen lassen sie sich nach der Größe der verteilten Teilchen, dem Dispersitätsgrad. Davon hängen Aussehen, Filtrierbarkeit und Stabilität ab und damit, wie man eine Rezeptur herstellt und prüft.
Einteilung
Ein disperses System besteht aus einem verteilten Stoff und einem Medium, in dem er verteilt ist. Der verteilte Anteil heißt innere Phase oder disperse Phase. Das umgebende Medium ist die äußere Phase, auch kontinuierliche Phase oder Dispersionsmittel genannt. Nach der Größe der verteilten Teilchen unterscheidet man drei Dispersitätsgrade.
| Dispersitätsgrad | Teilchengröße | Phasen | Beispiele |
|---|---|---|---|
| molekulardispers | unter 1 nm | einphasig | \(\ce{NaCl}\)-Lösung 0,9 %, Glucoselösung 5 %, Sirupus simplex, Ethanol-Wasser-Gemisch, Gasgemisch |
| kolloiddispers | 1 nm bis 1 µm | meist mehrphasig, mizellare Lösung einphasig | Gelatinelösung, Goldsol, Mikroemulsion, Nanosuspension |
| grobdispers | über 1 µm | mehrphasig | wässrige Suspension, die meisten Emulsionen |
Einphasige Systeme
Molekulardispers heißt: Der Stoff liegt als einzelne Ionen oder Moleküle vor. Zwischen Gelöstem und Lösungsmittel gibt es keine Grenzfläche. Das System ist deshalb einphasig. Dazu gehören alle echten Lösungen, etwa isotonische Kochsalzlösung 0,9 %, Glucoselösung 5 % oder Saccharoselösung wie der einfache Sirup. Auch Ethanol und Wasser mischen sich molekular.
Dasselbe gilt für Gase. Ein Gasgemisch wie Luft ist ein einphasiges, molekulardisperses System. Eine echte Lösung ist also nie ein Mehrphasensystem, gleich ob ihr Lösungsmittel flüssig oder gasförmig ist.
Mehrphasige Systeme
Sobald die verteilten Teilchen eine eigene Grenzfläche besitzen, entsteht ein Mehrphasensystem. Die Tabelle ordnet die wichtigen Typen nach dem Aggregatzustand ihrer Phasen. Nebel und Rauch sind Sonderfälle des Aerosols, also feiner Teilchen in einem Gas.
| System | innere Phase | äußere Phase |
|---|---|---|
| Suspension | fest | flüssig |
| Emulsion | flüssig | flüssig |
| Nebel (flüssiges Aerosol) | flüssig | gasförmig |
| Rauch (festes Aerosol) | fest | gasförmig |
| Schaum | gasförmig | flüssig |
Daraus folgen zwei Punkte. Die innere Phase ist nicht immer fest, bei Emulsion, Nebel und Schaum ist sie flüssig oder gasförmig. Auch das Dispersionsmittel ist nicht immer Wasser. In einer W/O-Emulsion bildet Öl die äußere Phase, wie Emulsionstypen und ihre Bestimmung zeigt. Echte Lösungen gibt es ebenso in Ethanol oder fettem Öl.
Suspensionen sind grobdispers. Ihre Feststoffteilchen liegen im Mikrometerbereich, trüben die Flüssigkeit und sedimentieren mit der Zeit. Wässrige Suspensionen sind daher mehrphasig und üblicherweise nicht kolloiddispers. Anders verhalten sich Nanosuspensionen, denn ihre Teilchen sind kleiner als 1 µm. Sie zählen zu den kolloiddispersen Systemen.
Emulsionen bestehen aus mindestens zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten. Eine Paraffinölemulsion ist deshalb nie molekulardispers. Klassische Emulsionen sind grobdispers mit Tröpfchen im Mikrometerbereich. Mikroemulsionen enthalten dagegen Tröpfchen im Nanometerbereich. Sie sind kolloiddispers und erscheinen klar. Mizellare Lösungen sind ebenfalls kolloiddispers, gelten aber als einphasig, weil sich ihre Mizellen spontan und umkehrbar bilden.
Abgrenzung zu Pasten
Für die Einordnung zählt der Zustand des Systems, nicht die Menge des Zusatzes. Wasser mit 50 % Saccharose bleibt eine echte Lösung, denn der Zucker ist vollständig gelöst. Olivenöl mit 20 % Zinkoxid ist eine fließfähige Suspension. Eine Paste ist dagegen eine halbfeste Zubereitung mit einem hohen Anteil fein verteilter Feststoffe.
Die Zuordnung ein- oder mehrphasig ist ein Examensklassiker. Einphasig sind echte Lösungen, Gasgemische und mizellare Lösungen. Suspension, Emulsion, Aerosol, Nebel, Rauch und Schaum sind immer disperse Mehrphasensysteme, auch wenn das Dispersionsmittel Öl oder Gas ist.
Kolloide und Tyndall-Effekt
Ein Kolloid ist ein System, dessen disperse Teilchen etwa 1 nm bis 1 µm groß sind. Die Grenzen sind fließend, manche Lehrbücher ziehen die Obergrenze enger. Teilchen über 100 nm gehören aber ausdrücklich dazu. Die disperse Phase muss auch nicht fest sein. Tröpfchen und gelöste Makromoleküle bilden ebenso Kolloide.
Der Kolloidbereich wird in Nanometern angegeben. Teilchen von 1 bis 100 µm sind bereits grobdispers und gehören nicht mehr zu den Kolloiden.
Aus der Größe folgen die typischen Eigenschaften. Die Teilchen passieren die Poren eines Papierfilters, man kann sie also nicht abfiltrieren. Kolloidale Lösungen sehen meist klar bis leicht opaleszent aus, nicht milchig-weiß wie eine grobe Emulsion. Die Brownsche Molekularbewegung hält die kleinen Teilchen in der Schwebe, daher sedimentieren Kolloide nicht generell.
Andere Eigenschaften hängen vom Stoff ab, nicht vom Dispersitätsgrad. Eine kolloidale Lösung reagiert nicht zwangsläufig sauer. Ob sie konserviert werden muss, entscheidet die Zusammensetzung im Einzelfall. Auch ist sie nicht über eine wässrige und eine ölige Phase definiert, das beschreibt eine Emulsion.
Tyndall-Effekt
Das wichtigste Erkennungszeichen ist der Tyndall-Effekt. Man strahlt Licht seitlich ein und blickt rechtwinklig dazu auf die Probe. In einer kolloidalen Lösung wird der Lichtweg als heller Kegel sichtbar. Die Kolloidteilchen streuen das Licht zur Seite, weil ihre Größe in der Nähe der Wellenlänge sichtbaren Lichts liegt. Diese seitliche Aufhellung heißt Opaleszenz. Man kennt das Bild von Sonnenstrahlen in staubiger Luft.
Ionen und kleine Moleküle sind zum Streuen zu klein. Molekulardisperse Lösungen zeigen deshalb keinen Tyndall-Effekt und opaleszieren nicht. Der Tyndall-Effekt wird im Examen gerne gefragt: Entscheidend sind die seitliche Einstrahlung, die Beobachtung im rechten Winkel und das Fehlen des Effekts bei echten Lösungen.
Drei Arten von Kolloiden
Nach ihrer Entstehung unterscheidet man drei Kolloidtypen.
| Kolloidtyp | Entstehung | Beispiele |
|---|---|---|
| Molekülkolloid | Makromoleküle lösen sich, jedes einzelne ist schon kolloidgroß | Gelatine 1 % in Wasser, Methylcellulose, Stärke |
| Dispersionskolloid | Zerteilung einer meist festen, unlöslichen Phase | Goldsol |
| Assoziationskolloid | kleine amphiphile Moleküle lagern sich zusammen | Mizellen, z. B. Polysorbat 80 3 % in Wasser |
Gelatinelösung ist kein molekulardisperses System, obwohl die Gelatine gelöst ist. Das einzelne Eiweißmolekül ist bereits so groß wie ein Kolloidteilchen. Ein Goldsol entsteht dagegen aus winzigen Metallpartikeln und ist deshalb kein Molekülkolloid. Methylcellulose und das Milcheiweiß Casein sind Makromoleküle und keine zerteilten Feststoffe. Sie bilden daher keine Dispersionskolloide. Silbernitrat löst sich als Salz molekulardispers. Polysorbat 80 ist ein Tensid, seine Lösung ist ein Assoziationskolloid.
Mizellen und CMC
Tenside besitzen einen hydrophilen Kopf und einen lipophilen Schwanz. In Wasser reichern sie sich zuerst an der Oberfläche an, der Schwanz ragt in die Luft. Ist die Oberfläche besetzt, lagern sich die Moleküle in der Lösung zu Mizellen zusammen. Die lipophilen Schwänze bilden den Kern, die hydrophilen Köpfe zeigen zum Wasser. Mizellen sind damit typische Assoziationskolloide.
Die kritische Mizellbildungskonzentration (CMC) ist die Tensidkonzentration, ab der sich Mizellen bilden. Unterhalb der CMC liegt das Tensid nur als Einzelmoleküle (Monomere) vor.
Die CMC bestimmt man über die Oberflächenspannung, aufgetragen gegen den Logarithmus der Tensidkonzentration. Bis zur CMC sinkt die Oberflächenspannung steil, danach bleibt sie nahezu konstant. Zusätzliches Tensid wandert dann in neue Mizellen statt an die Oberfläche. Im lipophilen Mizellkern lassen sich schlecht wasserlösliche Arzneistoffe lösen, das nutzt die Solubilisierung.
Quiz
Aussage 1
Den Tyndall-Effekt beobachtet man rechtwinklig zur Richtung des eingestrahlten Lichts.
Die Kolloidteilchen streuen das seitlich eingestrahlte Licht. Im rechten Winkel betrachtet erscheint der Lichtweg als heller Kegel, die Lösung opalesziert.
Aussage 2
Ein Goldsol ist ein Dispersionskolloid.
Goldsol entsteht durch Zerteilung des festen, unlöslichen Metalls in winzige Partikel. Das ist das Kennzeichen eines Dispersionskolloids.
Aussage 3
Tensidmoleküle lagern sich erst oberhalb der kritischen Mizellbildungskonzentration zu Mizellen zusammen.
Unterhalb der CMC liegt das Tensid nur als Monomere vor, die sich an der Oberfläche anreichern. Mizellen bilden sich erst ab der CMC.
Aussage 4
Rauch ist als feine Verteilung in Luft ein einphasiges System.
Rauch ist ein Aerosol aus festen Teilchen in einem Gas und damit ein disperses Mehrphasensystem.
Aussage 5
Ein Gemisch mehrerer Gase ist ein einphasiges System.
Gase mischen sich molekular, es gibt keine Grenzfläche. Ein Gasgemisch ist daher einphasig und molekulardispers.
Aussage 6
Olivenöl mit 20 % suspendiertem Zinkoxid ist als Paste einzuordnen.
Die Zubereitung ist fließfähig und damit eine Suspension. Eine Paste ist halbfest und enthält einen hohen Anteil fein verteilter Feststoffe.
Aussage 7
Die dispergierten Teilchen einer kolloidalen Lösung lassen sich durch Filtration über ein Papierfilter zurückhalten.
Kolloidteilchen sind kleiner als 1 µm und passieren die Poren eines Papierfilters. Sie lassen sich so nicht abtrennen.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.