CP 15  Mischbarkeit (Kosmetika)

Ist die Kosmetik eine Erfindung der Neuzeit?

Wer sich schon einmal Bilder aus der altägyptischen Zeit angesehen hat, muss hierauf mit einem klaren "Nein" antworten. Es ist nicht bekannt, in welcher Region unserer Erde kosmetische Artikel erfunden wurden. Man hat nur festgestellt, dass alle historisch bekannten Völker Kosmetika benutzten, also auch die Inkas und Azteken, die Chinesen und Japaner.

Der Wunsch war offenbar, mit der Anwendung von kosmetischen Artikeln "gottähnlich" zu werden. Denn Götterstatuen waren stets bunt bemalt und wurden reichlich mit teuersten Duftstoffen bedacht ("gesalbt"). Hinzu kommt, dass die Kosmetika schon frühzeitig nicht nur zur Verschönerung, sondern vielfach auch zu Heilzwecken dienten. Galenus von Pergamon (oder kurz Galen), ein um 200 n. Chr. in Rom tätiger Arzt aus dem griechischen Kleinasien und einer der bedeutendsten Ärzte des Altertums überhaupt, befasste sich auch mit der Herstellung von Kosmetika. Galens Lehren stellten bis ins 17./18. Jahrhundert die Grundlage des medizinischen Wissens an europäischen Universitäten dar.

Zusammensetzung von Kosmetika

Kosmetika sollen in erster Linie strapazierte Haut pflegen und dabei zu einem grösseren Wohlbefinden beitragen. Oft ist dabei das Ziel, der Haut die durch die alltägliche Belastung entzogenen Fette und die Feuchtigkeit wieder zurückzugeben. Kosmetika enthalten deswegen in erster Linie Fette oder Öle und Wasser (vgl. Abbildung rechts). Öle sind meist pflanzlichen Ursprungs und können als flüssige Fette betrachtet werden.

Das Problem ist nun aber, dass sich Fette und Wasser nicht mischen (vgl. "Fettaugen" auf der Oberfläche einer Bouillonsuppe). Kurzzeitig lässt sich zwar durch intensives Rühren ein heterogenes Gemisch (Emulsion) bilden. Allerdings entmischt sich ein solches Gemisch sehr schnell wieder. Ein Emulgator verhindert dieses Entmischen. Je nach Einsatzzweck können noch weitere Zusatzstoffe in Kosmetika zu finden sein (vgl. Abbildung rechts).

Allgemeine Zusammensetzung einer fett- und feuchtigkeitsspendenden Creme; bei Lippenpomaden wird auf die Zugabe von Wasser verzichtet.

Allgemeine Zusammensetzung einer fett- und feuchtigkeitsspendenden Creme; bei Lippenpomaden wird auf die Zugabe von Wasser verzichtet, dafür kommt zusätzlich ein bei Zimmertemperatur fester, harter Stoff (Wachs) zum Einsatz, der die Festigkeit (Konsistenz) des Produkts erhöht.

Mischbarkeit von Stoffen

Wasser löst gut Salz, Zucker und andere Stoffe, die chemisch dem Wasser ähnlich sind. Solche Stoffe nennt man hydrophil (wasserliebend). Wasser ist ein wichtiges Lösungsmittel und löst hydrophile Stoffe.

Andere Stoffe lösen sich in Wasser nicht. Bereits in der Antike wurden solche Stoffe (z. B. Farbstoffe) in Fetten und Ölen gelöst. Solche Stoffe nennt man deshalb auch noch heute fettliebend bzw. in der Fachsprache lipophil. Heute verwendet man zum Lösen lipophiler Stoffe Lösungsmittel wie Benzin, worin Fette, Öle, Farbstoffe und andere fettähnliche Stoffe gelöst werden können.

Mischbarkeit:

Hydrophile (wasserfreundliche) Stoffe lassen sich in Wasser gut lösen, in lipophilen (fettfreundlichen) Lösungsmitteln wie Benzin oder Ölen jedoch nicht. Umgekehrt lösen sich lipophile Stoffe gut in lipophilen Lösungsmitteln wie Benzin oder Ölen, in Wasser jedoch nicht.

Flüssige lipophile und hydrophile Stoffe sind nicht mischbar: Es entstehen 2 Phasen. Auf der spezifisch schwereren – d. h. der dichteren – schwimmt immer die spezifisch leichtere.

Vereinfachte Struktur von Fettmolekülen

Fette und Öle, wie sie in Kosmetika verwendet werden, sind chemisch gesehen sogenannte Lipide. Davon abgeleitet ist der Begriff "lipophil". Lipophile Stoffe sind nicht wasserlöslich und werden deshalb auch als hydrophob (wasserabstossend) bezeichnet.

Fettmoleküle sind relativ grosse Moleküle, welche einen kleinen hydrophilen (wasserliebenden) Kopf und einen grossen hydrophoben (wasserabstossenden) bzw. lipophilen (fettliebenden) Molekülteil besitzen (vgl. Abbildung rechts). Dieser hydrophobe Teil ist so gross, dass sich Fett nicht mit Wasser mischt. Damit ist ein Fettmolekül vom Charakter her insgesamt lipophil.

Vereinfachter Aufbau eines Fettmoleküls: Dargestellt ist hier nur eine sogenannte Fettsäure. Effektiv bestehen Fettmoleküle (Lipide) aus 3 Fettsäuren, die mit dem Alkohol Glycerin chemisch verknüpft sind. An der Lipophilität ändert sich nichts. Nur die Kopfgruppe des Moleküls ist hydrophil (türkis), der grosse Rest des Moleküls mit den langen Fettsäureresten ist lipophil (gelb).

Vereinfachter Aufbau eines Fettmoleküls und Darstellung lipophiler (gelb) und hydrophiler (türkis) Molekülteile.

Wie vermittelt ein Emulgator die Mischbarkeit von Öl und Wasser?

Damit sich bei der Herstellung einer Creme die Inhaltsstoffe Fett und Wasser nicht in zwei Phasen teilen, werden Emulgatoren zugesetzt.

Der Aufbau des Emulgator-Moleküls ist dem des Fettmoleküls ähnlich (vgl. Abbildung rechts): Der Kopfteil des Moleküls ist ebenfalls hydrophil, der lipophile Teil ist jedoch wesentlich kleiner, wodurch der Emulgator sich in etwa gleich gut mit Wasser und mit Fett mischt.

Aufbau eines Emulgatormoleküls: Die Kopfgruppe des Moleküls ist hydrophil (türkis), der gegenüber einem Fettmolekül deutlich kürzere Rest des Moleküls ist lipophil (gelb).

Schematischer Aufbau eines Emulgator-Moleküls mit Kennzeichnung lipophiler (gelb) und hydrophiler (türkis) Molekülteile.

Ein Emulgator-Molekül bildet eine "Brücke" zwischen Fett und Wasser (vgl. Abbildung rechts). Auf molekularer Ebene bedeutet das, dass Anziehungskräfte zwischen hydrophilem Teil des Emulgator-Moleküls und den hydrophilen Wassermolekülen einerseits und lipophilem Teil des Emulgator-Moleküls und den lipophilen Ölmolekülen wirksam werden. Diese Kräfte sind genügend stark, dass Ölmoleküle nicht gleich wieder von anderen Ölmolekülen durch Anziehungskräfte weggezogen werden. Damit können Emulgator-Moleküle mit Ölmolekülen einerseits und Wassermolekülen andererseits "verbunden" bleiben.

Aufbau eines Emulgatormoleküls: Die Kopfgruppe des Moleküls ist hydrophil (türkis), der gegenüber einem Fettmolekül deutlich kürzere Rest des Moleküls ist lipophil (gelb).

Ausrichtung von Emulgator-Molekülen in Wasser und Öl: Der hydrophile Teil (türkis) richtet sich zum Wasser (hellblau), der lipophile Teil (gelb) zum Öl (hellgelb) aus.

Bildung einer Öl-in-Wasser-Emulsion mithilfe eines Emulgators

Wird einem Gemisch aus Wasser und Öl ein Emulgator zugegeben und das warme Gemisch gerührt, bis es erkaltet ist, können viele kleine mit Emulgator-Teilchen ummantelte Tröpfchen gebildet werden (vgl. Abbildung rechts). Dabei richtet sich – bedingt durch Anziehungskräfte – der lipophile Teil der Emulgator-Moleküle zum lipophilen Öl und der hydrophile Teil der Emulgator-Moleküle sich zum hydrophilen Wasser aus.

Das Öl-Wasser-Gemisch sieht für uns dann zwar homogen (einheitlich) aus, wird aber als heterogenes Gemisch bezeichnet, da unter dem Mikroskop Öltröpfchen in einer Wasserphase sichtbar sind.

Ein solches Gemisch aus 2 flüssigen Phasen haben wir im CP 6&7 (Gemischtrennung) als Emulsion kennengelernt und tritt natürlich in Form von Milch auf. In der Milch ermöglicht der milcheigene Emulgator Lecithin, dass die Milchfett-Tröpfchen im Wasser feinst verteilt vorliegen (= Öl-in-Wasser-Emulsion). Eine solche Öl-in-Wasser-Emulsion ergibt sich zum Beispiel bei der Herstellung von (sehr wässrigen) Gesichtslotionen.

Öl-in-Wasser-Emulsion: Öltröpfchen (gelb) können in Wasser (hellblau) verteilt sein, da sich der lipophile Teil der Emulgator-Moleküle zum lipophilen Öl und der hydrophile Teil sich zum hydrophilen Wasser ausrichtet. Überschüssige Emulgator-Moleküle richten sich mit dem hydrophilen Teil zur Wasseroberfläche aus.

Öl-in-Wasser-Emulsion: Öltröpfchen (hellgelb) können in Wasser (hellblau) durch die Wirkung eines Emulgators (zündholzförmig) verteilt sein. Überschüssige Emulgator-Moleküle richten sich mit dem hydrophilen Teil (türkis) zur Wasseroberfläche (hellblau) aus.

Löse nun die Aufgaben 1–5.

Die folgenden Aufgaben 1–5 müssen vor dem Versuch bearbeitet werden.

Halte – in Stichworten – die Hauptinhaltsstoffe einer Creme (z. B. Handcreme) fest.

Fertige eine Skizze zum schematischen Aufbau eines Fettmoleküls an (ohne Darstellung der Atome):
  • Weise die Begriffe lipophil, hydrophil und hydrophob zu.
  • Halte mit einem Wort fest, was diese drei Begriffe bedeuten.
  • Weshalb ist das Molekül insgesamt vom Charakter her lipophil?

Vereinfachter Aufbau eines Fettmoleküls: Die Kopfgruppe des Moleküls ist hydrophil (türkis), der grosse Rest des Moleküls ist lipophil bzw. hydrophob (gelb).

Gesamtcharakter: lipophil, da der lipophile Molekülteil sehr lang ist.

Wie ordnen sich Ölmoleküle in einem Ölfleck auf einer Wasseroberfläche an? Erstelle eine Skizze.

Deine Skizze ergibt Sinn, wenn hydrophile Molekülbereiche so zueinander orientiert sind, dass sie sich untereinander anziehen können. Dasselbe gilt für lipophile Molekülbereiche.

Ausrichtung von Ölmolekülen in einem Ölfleck auf einer Wasseroberfläche: Die hydrophile Kopfgruppe (türkis) der Ölmoleküle richtet sich zum hydrophilen Wasser (hellblau) aus, wobei die hydrophoben bzw. lipophilen Molekülteile (gelb) parallel zueinander stehen und sich anziehen können.

Klick auf das Bild, um Erklärungen zu erhalten.

Mit einem Mixer lassen sich aus einem Öl-Wasser-Gemisch (mit wenig Ölanteil) – auch ohne Emulgator – feinste Öltröpfchen in Wasser erzeugen. Die entstehende Emulsion ist erstaunlich lange stabil.

Wie ordnen sich Ölmoleküle in einem Öltropfen in Wasser an? Erstelle eine Skizze.

  • Deine Skizze ergibt Sinn, wenn hydrophile Molekülbereiche so zueinander orientiert sind, dass sie sich untereinander anziehen können. Dasselbe gilt für lipophile Molekülbereiche.
  • Die Ölmoleküle zusammen sollten die Form eines Tropfens annehmen.

Anordnung von Ölmolekülen in einem Öltröpfchen in Wasser nach Mixen eines Öl-Wasser-Gemischs ohne Anwesenheit eines Emulgators: Die hydrophile Kopfgruppe (türkis) der Ölmoleküle richtet sich zum hydrophilen Wasser (hellblau) aus, wobei die hydrophoben bzw. lipophilen Molekülteile (gelb) zueinander gerichtet sind und sich anziehen können.

Klick auf das Bild, um Erklärungen zu erhalten.

Erstelle eine Skizze einer emulgatorvermittelten Wasser-in-Öl-Emulsion, wie sie bei einer Handcreme aktuell ist.

Orientiere dich am Beispiel der Öl-in-Wasser-Emulsion im Theorieteil.

Wasser-in-Öl-Emulsion: Wassertröpfchen (hellblau) können in Öl (hellgelb) verteilt sein, da sich der lipophile Teil der Emulgator-Moleküle zum lipophilen Öl und der hydrophile Teil sich zum hydrophilen Wasser ausrichtet. Überschüssige Emulgator-Moleküle tauchen mit dem lipophilen Molekülteil in die lipophile Öloberfläche ein, wobei die hydrophilen Köpfe nach aussen gerichtet sind.

Klick auf das Bild, um Erklärungen zu erhalten.

(Nimm nun die CP-Anleitung zur Hand, studiere die Einleitung und starte anschliessend mit dem Versuch.)

fs ch - mau