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Carbonsäuren

Ameisensäure(Methansäure)

Essigsäure(Ethansäure)

Propionsäure(Propansäure)

Buttersäure(Butansäure)

http://www.chemienet.info/8-csr.html

Carbonsäuren kommen in der Natur häufig vor: Essigsäure im Speiseessig, Propionsäure imSchweiss), Buttersäure im Geruch ranziger Butter.Sie besitzen eine oder mehrere Carboxyl-Gruppen ( –COOH) und werden durch Oxidation(= Dehydrierung) eines primären Alkohols bzw. eines Aldehyds hergestellt.

Nomenklatur

Name Anion (Salz) Formel Kettenlänge

Ameisensäure Formiat H–COOH C1

Essigsäure Acetat H3C–COOH C2

Propionsäure Propionat H3C–CH2–COOH C3

Buttersäure Butyrat H3C–(CH2)2–COOH C4

Palmitinsäure Palmitat H3C–(CH2)14–COOH C16

Stearinsäure Stearat H3C–(CH2)16–COOH C18

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Name Anion (Salz) Formel Kettenlänge

Dicarbonsäuren

Oxalsäure Oxalat HOOC–COOH C2

Malonsäure Malonat HOOC–CH2–COOH C3

Bernsteinsäure Succinat HOOC–CH2–CH2–COOH C4

Glutarsäure Glutarat HOOC–CH2–CH2–CH2-COOH C5

Hydroxycarbonsäuren

Milchsäure Lactat CH3-CHOH-COOH C3

A(Ä)pfelsäure Malat HOOC-CH2-CHOH-COOH C4

Weinsäure Tartrat HOOC-CHOH-CHOH-COOH C4

Citronensäure Citrat

H2C

HOC

H2C

COOH

COOH

COOH

Keto(Oxo)carbonsäuren

Brenztraubensäure Pyruvat CH3-CO-COOH C3

Phenylbrenztraubensäure CH2 CO COOH

http://de.wikipedia.org/wiki/Phenylketonuriehttp://www.onmeda.de/krankheiten/phenylketonurie.html

Nach der Anzahl Carboxygruppen werden Mono-, Di- und Tricarbonsäuren unterschieden.Palmitin- und Stearinsäuren gehören zu den mengenmäßig bedeutendsten Verbindungenpflanzlicher und tierischer Fette.Für viele Verbindungen sind auch heute die Trivialnamen am gebräuchlichsten. Diesystematischen Namen setzen sich aus dem Namen des entsprechenden Kohlenwasserstoffs undder Endung -säure zusammen. Das C-Atom der Carboxygruppe wird dabei mitgezählt, z.B.Ethansäure für Essigsäure oder Butandisäure für Bernsteinsäure.

Die einfachste aromatischeCarbonsäure heißt Benzoesäure.Phthalsäure ist eine aromatischeDicarbonsäure.

Benzoesäure Phthalsäure

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Eigenschaften

Die niederen Carbonsäuren (bisC4) sind bei Raumtemperaturflüssig und vollständig mit Wassermischbar. In wässriger Lösunggeben sie Protonen ab.

Allgemein hängt die Acidität einer organischen Verbindung R–H von folgenden Faktoren ab:1. Von der Elektronegativität des Atoms, an welches das H-Atom gebunden ist. Ethan hat

z.B. einen pKs-Wert im Bereich von 60, während Ethanol einen pKs von 16 aufweist.2. Von der Möglichkeit die negative Ladung des Anions R– zu stabilisieren. Der pKs-Wert von

Essigsäure liegt bei 4,8. Der Grund für die hohe Acidität der Essigsäure liegt in derStabilisierung der negativen Ladung im Carboxylat-Ion (Mesomerie).

Mesomerie des Carboxylat-Ions

Substituenteneinflüsse auf die Acidität

Der pKs-Wert verschiedener Carbonsäuren schwankt zwischen 1 und 5. Die Unterschiedezwischen den einzelnen Carbonsäuren werden durch die Substituenten des Restes bestimmt.

pKs pKs

4,8 Essigsäure 3,7 Ameisensäure

2,9 Chloressigsäure 4,8 Essigsäure

1,5 Dichloressigsäure 4,9 Propionsäure

0,7 Trichloressigsäure

Elektronenziehende Substituenten erhöhen die Acidität (–Cl, –OH, –COOH, –F, –I).Elektronenabstossende Substituenten erniedrigen die Acidität (–CH2–, –CH3). Man spricht vominduktiven Effekt.

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Carbonsäurederivate

Verbindungen, bei denen anstelle der OH-Gruppe ein anderer polarer Rest an das Carbonyl-Cgebunden ist, werden Carbonsäurederivate genannt. Die Hydrolyse der Derivate führt zurentsprechenden Carbonsäure.

Nucleophile können das Carbonyl-C-Atom der Carbonsäurederivate angreifen. Die Reaktivität derCarbonsäurederivate gegenüber Nucleophilen ist in der Grafik dargestellt. Sie nimmt imUhrzeigersinn ab. Ein Ester kann also zum Beispiel durch die Reaktion eines Carbonsäure-Chlorids oder -Anhydrids mit einem Alkohol als Nucleophil hergestellt werden.

Zur Veranschaulichung soll die Reaktion des Thioesters Acetyl-Coenzym A zu einem Esterbetrachtet werden. Cholin greift als Nucleophil (Hydroxyl-Gruppe) an.

Die Reaktion ist enzymkatalysiert. Acetylcholin dient zur Übertragung von Nervenimpulsen voneiner Nervenzelle auf die andere (= Neurotransmitter).

Carbonsäuren, Carbonsäure-Derivate: http//www.gym1.at/chemie

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Carbonsäure-Ester

Carbonsäure-Ester – häufig einfach als Ester bezeichnet – lassen sich auf verschiedene Weisenherstellen. In Gegenwart starker Säuren (Schwefelsäure) lassen sie sich direkt aus Carbonsäurenund Alkohol herstellen.Die Reaktion führt zu einem Gleichgewicht (Massenwirkungsgesetz). Will man möglichst viel Esterausbeuten, müssen kontinuierlich die Produkte entfernt werden, damit sich kein Gleichgewichteinstellt. Dies lässt sich z.B. erreichen, indem der gebildete Ester abdestilliert wird.

Die Reaktion ist reversibel. Mit einem Überschuss an Wasser lassen sich Ester leicht wieder inCarbonsäure und Alkohol spalten (Esterhydrolyse).Unter alkalischen Bedingungen werden Ester irreversibel gespalten (= Verseifung). Es bildet sichAlkohol und das Anion bzw. Salz der Carbonsäure.

Eigenschaften und Vorkommen: Niedermolekulare Ester sind leicht flüchtig (es fehlen OH-Gruppen). Sie sind Geruch- und Geschmackstoffe (Fruchtaroma).

CH3 C

O

OH + HO CH2 CH3

CH3 CO O CH2 CH3

Essigsäureethylester (Ethylacetat): Wird für Aromen inBonbons, Likören und Limonaden verwendet. Außerdem istEthylacetat ein wichtiges Lösungsmittel für Farbe, Harzeund Klebstoffe.

Die Speicherfette pflanzlicherund tierischer Zellen bestehenaus Glycerin, das mit langkettigenCarbonsäuren, verestert wurde.

CH2

OH

CH2 CH2

HO

CO

O O

Lactone sind ringförmige Ester. Sie entstehen, wennHydroxy- und Carboxygruppe desselben Molekülsmiteinander reagieren.(g-Lacton aus der g-Hydroxybuttersäure)http://www.muk.uni-frankfurt.de/Publikationen/FFFM/dok/2002/2002-3/Aromaforschung_8-15.pdf

Triglyceride :Ester aus Glycerin und Fettsäuren

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Carbonsäure-Amide

Versucht man eine Carbonsäure mit Ammoniak zur Reaktion zu bringen (= Neutralisation), bildetsich das Ammoniumsalz. Es entsteht kein Amid.

Der pKs-Wert von Ammonium liegt bei 9,2. Mischt man Carbonsäuren (pKs zwischen 1 und 5) undAmmoniak, wird sofort die Carbonsäure deprotoniert. Weil das Carboxylat-Anion nicht vonNucleophilen angegriffen werden kann, lässt sich auf diese Weise kein Amid herstellen. Geht manvon den reaktiveren Carbonsäure-Chloriden aus, lassen sich problemlos Amide herstellen.

Harnstoff: Diamid der Kohlensäure

Kohlensäure, Phosphorsäure und Schwefelsäure sind anorganische Säuren, deren Salze imStoffwechsel von Bedeutung sind. Ihre Derivate nehmen eine Zwischenstellung zwischenorganischer und anorganischer Chemie ein.

Kohlensäure Harnstoff

Harnstoff (Kohlensäurediamid) ist das wichtigste Amid der Kohlensäure. Er ist farblos undwasserlöslich und lässt sich in Gegenwart starker Säuren oder Basen hydrolysieren. Würde derbeim Proteinabbau freigesetzte Stickstoff als Ammoniak freigesetzt, wäre der Säure-Base-Haushalt der Zellen empfindlich gestört. Der Mensch scheidet 80-90% des mit der Nahrungaufgenommenen Stickstoffs im Form von Harnstoff aus. Die Umwandlung von Ammoniak inHarnstoff erfolgt in der Leber im Harnstoff-Zyklus.

http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/aminosaeuren/hsz-d.html

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Fette - Lipide

Unter dem Begriff Lipide werden alle in der Zelle vorkommenden, wenig oder nichtwasserlöslichen Verbindungen zusammengefasst. Sie sind chemisch sehr unterschiedlich,besitzen jedoch alle überwiegend unpolare Moleküle, wobei aber auch polare Gruppen enthaltensein können.Nach der chemischen Zusammensetzung lassen sich die Lipide in verschiedene Gruppeneinteilen. Die wichtigsten sind hier mit Beispielen angegeben:

Steroide (Cholesterin, Steroidhormone)WachseNeutralfette (Mono-, Di- und Triacylglyceride)Phospho-Glycerolipide (Lecithin)Sphingolipide (Cerebroside, Ganglioside, Sphingomyeline, Ceramide)

Neutralfette

Ester aus Glycerin und bis zu drei Fettsäuren werden als Neutralfett bezeichnet. Im Gegensatz zuden Phospholipiden besitzen sie keine dissoziierenden Gruppen, sind also stets ungeladen undpraktisch wasserunlöslich.In der Natur kommen sie meist als Gemische vor, d.h. in natürlichen Fetten sind mehrereunterschiedliche Fettsäuren mit Glycerin verestert. Sie unterscheiden sich, je nachZusammensetzung, deutlich in ihrem Schmelzbereich: Es finden sich feste, halbfeste oder flüssigeFette (letztere werden auch als "fette Öle" - in Abgrenzung zu den Mineralölen =Kohlenwasserstoffgemischen bezeichnet).

Fettzellen

Im Fettgewebe werden Triacylglyceride als Energiereserven gespeichert. Fettgewebe finden sichvor allem in der Unterhaut, aber auch bei inneren Organen, z.B. den Nieren. Die weißenFettzellen dienen in erster Linie der Speicherung der energiereichen Fette.

Im braunen Fettgewebe findet überwiegend der Fettstoffwechsel zur Erzeugung von Wärme statt.

http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/carbonyl/fette3.html

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Fettsäuren

Alle Carbonsäuren, die in Fetten auftreten, werden allgemein als Fettsäuren bezeichnet.Kurzkettige Fettsäuren (z.B. Buttersäure) sind aber eher selten bzw. treten erst beiAbbauprozessen auf. Die wichtigsten Fettsäuren besitzen Kettenlängen von 16 bis 20 C-Atomenund bis zu vier Doppelbindungen. An den Doppelbindungen liegt stets cis-Konfiguration vor.

Palmitinsäure C16H32O2

Stearinsäure C18H36O2

Ölsäure(9-Omega-Fettsäure)

C18H34O2

Linolsäure(6-Omega-fettsäure)

C18H32O2

Linolensäure(3-Omega-Fettsäure)

C18H30O2

Arachidonsäure C20H32O2

Fettverseifung - Verseifung

Wie alle Ester, können auch Fette durch Laugen gespalten werden. Es entstehen Glycerin undSalze der Fettsäuren. Diese Salze wirken als Seifen, die Reaktion nennt man daher Verseifung.

Micelle

Seife ist in Wasser löslich. Es bilden sich dabeiMicellen aus:kugelförmige Zusammenlagerungen, bei denendie unpolaren Kohlenwasserstoffketten derFettsäuremoleküle nach innen weisen, diegeladenen Carboxylatgruppen nach außen indas wässrige Medium.Wird zu einer Seifenlösung eine Säuregegeben, werden die Carboxylatgruppenprotoniert. Es entstehen die freien Fettsäuren.Diese sind in Wasser nicht löslich, dieFettsäuren fallen aus.

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-Oxidation

Die Fettsäuren werden zur Energiegewinnung durch die -Oxidation abgebaut. Dazu wird dieFettsäure zunächst an Coenzym A gebunden und dann am C-Atom 3 schrittweise oxidiert. Imletzten Schritt wird unter Bindung eines neuen CoA ein Acetyl-CoA abgespalten. Zurück bleibt eineum zwei C-Atome verkürzte Fettsäure, die einem neuen -Oxidations-Zyklus unterworfen werdenkann. Auch hierbei wird wieder Acetyl-CoA abgespalten und der Prozess so lange wiederholt, bisdie gesamte Kette zu Acetyl-CoA abgebaut wurde (bei geradzahligen Fettsäuren) oder aber einPropionyl-CoA übrig bleibt. Das gebildete Acetyl-CoA wird dann in den Citrat-Zyklus eingeschleustund dort letztlich zu CO2 und Wasser umgesetzt.

Phospholipide

Lipide müssen nicht völlig unpolar sein, es können auch polare Gruppen, beispielsweisePhosphatreste, enthalten sein. Diese Moleküle bezeichnet man als Phospholipide. Die meistenPhospholipide gehören zur Gruppe der Phosphoglyceride. Hier sind an einem Glycerinrest - imGegensatz zu den Neutralfetten - nur zwei Fettsäuren gebunden. Die dritte OH-Gruppe trägt einenPhosphatrest, der mit einer Alkohol-Komponente (z. B. Cholin, Ethanolamin) verestert ist.Ist, wie in der Abbildung dargestellt, ein Cholin-Molekül gebunden, handelt es sich um ein Lecithin.

Die Membranen in den Zellen sind überwiegend aus Phospholipiden aufgebaut

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Zellmembran

Biologische Membranen bestehen überwiegend aus Doppelschichten von Phospholipiden. DieMembranen trennen in der Regel zwei wässrige Lösungen, beispielsweise bei der Zellmembrandas Cytoplasma der Zelle von der "Außenwelt".

Die Lipide sind so angeordnet, dass dieunpolaren Kohlenwasserstoffreste sichzusammenlagern, die polaren Gruppenweisen ins Innere der Zelle bzw. nach außen.

In die Lipid-Doppelschicht der Zellmembran sindProteine eingelagert. Diese können u. a. dieMembran durchdringen (z.B. Ionenkanäle,Transportproteine).

sonstige Lipide

Außer den Neutralfetten und den Phosphoglyceriden treten im Organismus, besonders in denMembranen, weitere Lipide auf.

Auch Cholesterin wird zu den Lipiden gezählt,da es sich hierbei ebenfalls um eine unpolarebiogene Substanz handelt - auch wenn hier einvöllig anderer chemischer Aufbau vorliegt.

Wachse

Bei den (echten = natürlichen) Wachsen handelt es sich um Ester aus Fettsäuren und langkettigenAlkoholen (Fettalkoholen). Wachse können von Pflanzen oder Tieren gewonnen werden.Bienenwachs besteht vor allem aus Estern des Myricylalkohols (1-Triacontanol, C30H61OH).

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Seife - Waschmittel

Ausgangstoffe für die Seifenherstellung sind vor allem verschiedene pflanzliche Fette und Öle,sowie in geringem Maße auch tierische Fette.Die Fette werden unter Zugabe von Natron- oder Kalilauge längere Zeit gekocht. Man nenntdiesen Vorgang Seifensieden. Dabei reagieren die Fette mit der Natron- oder Kalilauge zuGlycerin (Propantriol) und Seifen [Natrium(Kalium)salze von Fettsäuren]. Von diesem Verfahrenstammt auch der Ausdruck Verseifung.

Durchführung:Etwa 10 g Kokosfett werden im 200 ml Becherglas langsam erhitzt. Nach und nach werden vorsichtig unterständigem Rühren 10 ml 25%ige Natronlauge hinzu gegeben.Diese Mischung lässt man noch 20 Minuten unter ständigem Umrühren bei geringer Wärmezufuhr weitersieden. Dabei ist darauf zu achten, dass das verdampfende Wasser durch destilliertes Wasser ersetzt wird.Anschließend wird der Inhalt des Becherglases in ein Becherglas mit gesättigter Kochsaltlösung gegeben.Die entstehende Seife sammelt sich an der Oberfläche und kann abgeschöpft werden.Nach der Zugabe von Duft- und/oder Farbstoffen wird sie zum Trocknen in eine Form gepresst.

Besondere Hinweise:Schutzbrille aufsetzen!

http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/haus/tenside.htm#seifen

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Fette werden beim Verseifen in Glycerin und Seife (Natriumsalze von Fettsäuren) gespalten.

gelb: „Schwänzchen“: lipophiler (hydrophober) Teil - mit Affinität zu unpolaren Gruppen (Fett ...)blau/grün: „Kopf“: hydrophiler Teil: durch Ladung und Polarität der Carboxylgruppe

Waschwirkung von Seife (Tensiden)

An der Wasseroberfläche ragt derhydrophile Teil von Tensiden in dasWasser, der hydrophobe Teil ragt aus demWasser.

Im Wasser bilden die Tensid-Molekülesog. Micellen. Die hydrophoben Teileragen ins Innere der Micelle, diehydrophilen Teile in das Wasser.

Die Waschwirkung von Seifen (Tensiden) beruht auf folgenden Eigenschaften:Herabsetzung der Oberflächenspannung des Wassers

Herabsetzung der Oberflächenspannung erleichtert die Benetzung des Gewebes undleichteres Eindringen der Waschlauge - als Voraussetzung für den Waschvorgang.

Emulgier- und SuspendiervermögenDie waschaktive Substanz umgibt in monomolekularer Schicht z.B. ein Öl/Fetttröpfchen undemulgiert es.

SchmutztragevermögenDas Wiederaufziehen des bereits abgelösten Schmutzes wird verhindert.

Die Schaumkraft dagegen ist kein spezifisches Merkmal der Waschkraft.

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Der Wassertropfen zerfließt durchHerabsetzung der Oberflächenspannung

Die Fetttröpfchen (der Schmutz) werden zerteiltund in der Seifenlösung emulgiert.Der Schmutz kann von der Waschlaugeweggespült werden.

http://www-oc.chemie.uni-regensburg.de/OCP/div/ChemieAlltag/Waschmittel.pdf

Nachteile von Seife:alkalische WirkungSäure- und Härteempfindlichkeit

- je härter das Wasser, desto geringer ist die Waschwirkung von Seife.In hartem Wasser bildet sich Kalkseife (Ca/Mg-Salze der Fettsäuren).Außer der verminderten Waschwirkung hat die Bildung von Kalkseifeneinen weiteren Nachteil. Sie setzen sich im Gewebe ab und machendamit die Wäsche hart und grau

Aus diesen Gründen werden Seifen nicht mehr in Waschmitteln verwendet, sondern zumeist nurmehr als Handseifen, Schmierseifen u. ä.

Moderne Waschmittel

http://www.tgs-chemie.de/waschmittel.htmhttp://www.uni-essen.de/chemiedidaktik/S+WM/Tenside/Tenside2.htmhttp://www.uni-bayreuth.de/departments/ddchemie/experimente/effekt/photo_tenside.htm

Waschmittel sind aus verschiedenen, funktionellen Bestandteilen (Tensiden, Wasserenthärternund Bleichmitteln) zusammengesetzt:

Tenside:

Heute setzt man zum Waschen fast nur noch synthetische Tenside ein. Ihre Moleküle enthaltenkeine hydrophile COO - -Gruppe wie die Seifen, so dass sie in Wasser nicht alkalisch wirken undauch keine Kalkseifen bilden. Je nach Ladung dieser hydrophilen Gruppe unterscheidet man

anionische, kationischenichtionische Tenside.

Anionische Tenside bilden negativ gelandene Ionen und finden in Waschmitteln für alle TextilienVerwendung.

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Kationische Tenside bilden positiv geladene Ionen. Sie besitzen keine große Waschwirkung,haften jedoch gut am Gewebe und verhindern die elektrostatische Aufladung von Textilien,weshalb sie Weichspülern und Wollwaschmitteln zugesetzt werden.Nichtionische Tenside zerfallen nicht in Ionen. Die hydrophilen Gruppen dieser Tenside enthaltenvielfach Hydroxy-Gruppen (OH-Gruppen) oder andere, gut wasserlösliche Gruppen. Diese Tensidewerden neben Textilwaschmitteln vor allem auch in Spülmitteln und anderen Haushaltsreinigernverwendet.

Anionische Tenside(Aniontenside)

Kationische Tenside(Kationtenside)

nichtionische Tenside

amphotere Tenside= zwitterionische Tenside(Amphotenside)

Anionische Tenside

Fettalkoholsulfat

Dodecylalkohol + Schwefelsäure + NaOH (= Natriumlaurylsulfat)

------C12-C14-------OH + HO-SO3H -> -----C12-C14--------O-SO3-Na+ + H2O

H3C O SO3- Na+ Natriumsalz von Dodecylsulfat

(= Ester aus Dodecylalkoholund Schwefelsäure)

Alkylbenzolsulfonat: (LAS: lineare Alkylbenzolsulfonate)

lineares Alkylbenzolsulfonat

stark verzweigtes Alkylbenzolsulfonat (=> biologisch schwer abbaubar)

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weitere Bestandteile eines modernen Waschmittels

KOMPLEXBILDNER

FRÜHER: POLYPHOSPHATE

Wegen Eutrophierung Substitution durchNitrilotriacetatNatriumaluminiumsilicat (Zeolit) "SASIL

Während bis in die 70er Jahre in deutschenWaschmitteln das umweltschädigendePentanatriumtriphosphat (PNT) alsWasserenthärter verwendet wurde, welchesüber das Abwasser zu einem übermäßigenAlgenwachstum in Flüssen und Seen führt(Eutrophierung), wird heute auf diese Form derWasserenthärtung verzichtet (phosphatfreieWaschmittel). Als Ersatz wird Vollwaschmittelndas sogenannte Zeolith A (einNatriumaluminiumSilicat, Bild ) zugesetzt. Diessind Kristalle mit Hohlräumen, in denen sich

Natrium-Ionen befinden. Sie werden beim Waschen durch Calcium- undMagnesium-Ionen ausgetauscht:

BLEICHMITTEL z.B. gegen Obst- und Rotweinflecken

Perborat: - spaltet Wasserstoffperoxid ab:

NaBO2.H2O2.3H2O ----------> NaBO2 + H2O2 + 3 H2OSTABILISATOREN Verhindern die unkontrollierte Zersetzung des Perborats durch

Komplexierung der Schwermetallionen: EthylendiamintetraacetatVERGRAUUNGSINHIBITOREN verhindern das erneute Festsetzen des abgelösten und dispergierten

Schmutzes auf der Faser („Grauschleier“)z. B. Carboxymethylcellulose CMC, wirksam bei Naturfasern

KORROSIONSINHIBITOREN zum Schutz der Waschmaschinenteile gegen die Waschlauge (z.B.Wasserglas

SCHAUMREGULATOREN früher: "gut geschäumt ist halb gewaschen" aber: Nachteil in derWaschmaschine („überschäumen“)

OPTISCHE AUFHELLER "Blaustrahler": Umwandlung von UV in sichtbares Licht "weißer alsweiß"

ENZYME Proteasen bis 65°C wirksam (bauen Eiweiß ab!)

Weitere Links im Internet:

Geschichte derSeife

http://www.uni-essen.de/chemiedidaktik/S+WM/Geschichte/IndexGe.htm

Herstellung vonSeife

http://www.seifen.at/Kernseifen.htm

http://www.chemie.uni-regensburg.de/Anorganische_Chemie/Pfitzner/demo/demo_ss04/waschmittel.pdf

Experimente

http://www.uni-bayreuth.de/departments/ddchemie/experimente/effekt/photo_tenside.htm