Суспензии, эмульсии, пены. Эмульсии Эмульсия определение

Эмульсии находят разнообразное применение в производстве продуктов питания. Часть продуктов питания и продукции пищевой промышленности представляет собой эмульсии. К эмульсиям относятся молоко, сливки, сливочное масло, сметана, маргарин, т.е. жиросодержащие продукты питания.

В состав молока (эмульсия типа М/В) входят жидкие и отчасти твердые жиры, представляющие собой дисперсную фазу, а в водной дисперсионной среде содержатся белки, различные соли и сахар. Сливки - более концентрированные эмульсии по сравнению с молоком. Маргарин представляет собой концентрированную эмульсию типа В/М, в которой в качестве дисперсной фазы служит вода, а дисперсионной средой является очищенный от примесей пищевой жир. Пищевой жир получают из соевых бобов, подсолнечного, хлопкового или кукурузного масла. Кроме того, в маргарин вводят витамины, красящие и другие вещества. Майонез является концентрированной эмульсией растительного масла типа М/В. Дисперсионной средой является вода, содержащая яичный желток, уксус, горчицу, сахар, специи. Сливочное масло - это высококонцентрированная структурированная система, в состав которой входят прямая и обратная эмульсии - в большей степени М/В и отчасти В/М.

Эмульсии широко используют в пищевой технологии. Жиры в тесто вводят в виде эмульсии типа М/В, что значительно улучшает качество хлеба и хлебобулочных изделий.

Следует отметить, что эмульсии играют большую роль в жизнедеятельности организма человека. В состав крови входит эмульсия, дисперсной фазой которой являются эритроциты, а в качестве эмульгаторов выступают белки. Жиры, необходимая составная часть продуктов питания, нерастворимы в воде и усваиваются только в эмульгированном состоянии.

Молоко, сливки, сметана, сливочное масло являются эмульсиями и дополнительного эмульгирования не требуют. Растительное масло и животный жир в водной среде не образуют эмульсий. Поэтому перед усвоением подобных продуктов они сначала переводятся в эмульгированное состояние. Эмульгирование осуществляется сначала в желудке, а потом в двенадцатиперстной кишке. В качестве эмульгатора выступает желчь, в состав которой входят желчные кислоты - монокарбоновые оксикислоты, относящиеся к классу стероидов. При относительно высоких значениях рН, равных 8,0-8,5, образуются соли желчных кислот. Эти соли являются хорошими эмульгаторами.

Межфазовое поверхностное натяжение воды на границе с маслом σжжсоставляет примерно 40 мДж/м2. Растворы желчных кислот снижают его в сотни раз, что обеспечивает выполнение условий (15.2) и (15.3) - система из лиофобной превращается в лиофильную; в желудке происходит самопроизвольное диспергирование жира, а образующаяся эмульсия будет устойчивой. Диспергированию жира и образованию эмульсий способствует перистальтическое движение кишечника. В результате образуется прямая эмульсия жира в воде типа М/В. Подобная эмульсия через стенки тонких кишок поступает в лимфу и кровь и усваивается организмом.

Лекарственные препараты часто также представляют собой эмульсии. Для введения их в организм через рот рекомендуется применять прямые эмульсии типа М/В. Через кожу в организм вводят лекарственные препараты в виде обратных эмульсий типа В/М, так как кожа является препятствием для воды и растворенных в ней веществ и легко пропускает другие жидкости.

Эмульсии широко используются не только в пищевой, но и в ряде других отраслей промышленности. Так, основной процесс мыловарения связан с образованием прямой эмульсии М/В. Эмульгирование имеет место при обезвоживании сырой нефти, при производстве нефтепродуктов и очистке нефтяных емкостей, получении асфальтовых смесей и переработке натурального каучука, производстве кинофотоматериалов, получении консистентных смазок и охлаждающих жидкостей для обработки металлов, а также в ряде других технологических процессах.

Синтетические лаки, представляющие собой эмульсии синтетического каучука и смолы, используют для склеивания и приклеивания бумаги, импрегнировании тканей, для приготовления заменителей кожи и различных резиновых изделий. Эмульсионные краски - нетоксичны и пожаро-взрыво-безопасны. Для опрыскивания растений препараты обычно применяют в виде эмульсий. К природным эмульсиям относится ряд ценнейших растительных и животных продуктов.

В промышленных условиях нередко приходится вести борьбу с образующимися эмульсиями. Например, при обезвоживании различных нефтяных продуктов, в бумажной и кожевенной промышленности для предотвращения осаждения капель дисперсной фазы на волокне.

Г л а в а 16

ПЕНЫ

Пены отличаются от других дисперсных систем подвижностью и способностью к изменению поверхности раздела фаз. Быстрое снижение поверхности раздела фаз сокращает время жизни пены и обусловливает необходимость применения ПАВ для сохранения устойчивости пен. Значительное увеличение удельной поверхности подвижной границы раздела фаз придает пенам особые свойства.

Пены образуются в некоторых технологических процессах, а также в условиях применения различных препаратов.

Эмульсии - это дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой (тип Ж/Ж).

Примерами природных эмульсий могут служить молоко (а также получаемые из него сливки и сметана), млечный сок растений, растительные масла, сырая нефть, битумы. Кровь человека и животных тоже в первом приближении можно рассматривать как эмульсию, в которой форменные элементы крови – эритроциты, лейкоциты и др., - состоящие из полужидкой цитоплазмы, играют роль капель дисперсной фазы. Искусственным путём получаются промышленные латексы, окрасочные эмульсии, консистентные смазки. К эмульсиям относятся многие косметические кремы, мази, парфюмерные средства и др., а также целый ряд лекарственных форм. В форме эмульсий удаётся облегчить приём вязких масел, смягчить раздражающее действие на слизистую оболочку желудка некоторых лекарственных средств, облегчить дозирование, а также замаскировать неприятный вкус эфирных масел. В ряде случаев при применении лекарственных средств в виде эмульсий можно улучшить терапевтический эффект. Особенно ценны эмульсии в детской фармакотерапии.

Получают эмульсии как конденсационными, так и диспергационными методами, но чаще применяют диспергирование (механическое или ультразвуковое). Ранее говорилось, что общим условием образования дисперсных систем является практически полная или частичная нерастворимость вещества дисперсной фазы в среде. Поэтому жид­кости, образующие различные фазы в эмульсиях, должны сильно различаться по полярности. В связи с этим различают два основных типа эмульсий - прямые , с каплями неполярной жидкости в полярной среде, и обратные , с каплями полярной жидкости в неполярной среде. Наибольшее распространение имеют эмульсии, в которых одна из фаз - вода. В этих случаях вторую фазу образует неполярная или малополярная жидкость, называемая в общем случае маслом (например, растительные масла, а также бензол, хлороформ, и т. п.). Поэтому прямые эмульсии часто называют эмульсиями типа "масло в воде " (М/В), а обратные - типа "вода в масле " (В/М). В общем случае словом "вода" обозначается более полярная жидкость, а словом "масло" - менее полярная, даже если они имеют отличную от воды и масла природу. Так, например, эмульсия ртути в бензоле относится к типу В/М.

В зависимости от объёмной концентрации дисперсной фазы эмульсии подразделяют на три класса: разбавленные (концентрация не превышает 0,1%), концентрированные (0,1 ¸ 74%) и высококонцентрированные или желатинированные (> 74%), которые по структуре близки к пенам.

Разбавленные эмульсии относительно устойчивы, поскольку вероятность столкновения частиц при малой частичной концентрации невелика. Однако столкновение капелек, не защищённых стабилизатором, заканчивается их слиянием (коалесценцией ). Во многих отношениях поведение разбавленных эмульсий с мелкими каплями близко к поведению лиофобных золей (разрушение при введении электролитов подчиняется правилу Шульце - Гарди, многозарядные ионы вызывают перезарядку, в устойчивых эмульсиях наблюдается заметный электрофорез и т. п.).

В промышленности, в быту, а также в качестве лекарственных форм чаще всего используются концентрированные и желатинированные эмульсии. Подавляющее большинство применяемых на практике эмульсий относятся к классу концентрированных, хотя объёмная концентрация дисперсной фазы может в них колебаться в очень широких пределах. Такие эмульсии не могут существовать без стабилизации, так как близко находящиеся друг к другу капли будут часто сталкиваться и коалесцировать, что быстро приведёт к полному расслоению.

Граница между двумя классами концентрированных и высококонцентрированных эмульсий определяется тем, что капли дисперсной фазы могут сохранять сферическую форму вплоть до объёмной доли, соответствующей плотной упаковке шаров (74%). Поэтому дальнейшее увеличение концентрации, характерное для высококонцентрированных эмульсий, неизбежно связано с деформацией капель, приводящей к появлению новых свойств.

Высококонцентрированные эмульсии готовят при интенсивном механическом воздействии посредством постепенного введения малых объёмов вещества дисперсной фазы в дисперсионную среду, содержащую эффективный эмульгатор, например, желатин. Такие эмульсии представляют собой желеподобные системы, которые обладают даже некоторой упругостью и прочностью (иногда их можно резать ножом). Твёрдообразные свойства таким эмульсиям придаёт ориентированное расположение сольватированных молекул эмульгатора в системе прослоек дисперсионной среды. Эти тонкие прослойки образуют пространственный каркас, ячейки которого заполнены жидкостью дисперсной фазы.

Разрушение эмульсий, как и других дисперсных систем, происходит различными путями, из которых в практическом отношении наиболее важны седиментация и коалесценция. Седиментация в эмульсиях, в особенности типа М/В, как правило, проявляется во всплывании частиц дисперсной фазы (например, образование сливок при стоянии молока). Во многих случаях она сопровождается флокуляцией, т. е. собиранием капелек в гроздья, хлопья и т. п. Всплывшие на поверхность капли соприкасаются друг с другом и при определённых условиях могут сливаться, т. е. коалесцировать.

Коалесценция является следствием нарушения агрегативной устойчивости и заключается в полном слиянии капелек. Более крупные капли, возникающие при слиянии, в соответствии с законом Стокса всплывают быстрее, что приводит к нарушению и седиментационной устойчивости. В отличие от флокуляции коалесценция необратима. Таким образом, оба вида устойчивости в эмульсиях тесно связаны и взаимно обусловлены. Их нарушение в итоге может привести к полному расслаиванию – разделению эмульсии на два жидких слоя. Поэтому агрегативно устойчивые эмульсии могут быть получены только с применением эффективных стабилизаторов, называемых в данном случае эмульгаторами . В качестве эмульгаторов обычно используются поверхностно-активные вещества (ПАВ) различной природы. Однако возможен ещё один способ стабилизации эмульсий - введением тонкодисперсных порошков, размеры частиц которых намного меньше размеров капель (в десятки и сотни раз).

Устойчивость эмульсий характеризуют двумя величинами – 1) временем полного расслаивания столба эмульсии на два слоя или 2) временем жизни (до коалесценции) приведённых в соприкосновение капель дисперсной фазы. В этом случае устойчивость определяется при рассматривании эмульсии под микроскопом.

Тип эмульсии, возникающей при механическом диспергировании, в значительной степени зависит от соотношения объёмов жидкостей: жидкость, присутствующая в существенно большем количестве, обычно становится дисперсионной средой. Если объёмное содержание двух жидкостей примерно равно, то, как отмечалось Ребиндером, при диспергировании обыч­но образуются одновременно эмульсии обоих типов - прямая и обратная. Но после прекращения диспергирования при отстаивании выживает из них та, которая имеет более высокую устойчивость к коалесценции капель и последующему расслаиванию. При этом соотношение стабильности прямой и обратной эмульсий, а, следовательно, и тип эмульсии определяются природой введённого стабилизатора (эмульгатора).

Способность поверхностно-активного эмульгатора обеспечивать устойчивость эмульсии того или другого типа определяется энергией взаимодействия его молекул с полярной и неполярной жидкостями. Это отражается в так называемом правиле Банкрофта :

при эмульгировании дисперсионной средой становится та жидкость, в которой эмульгатор лучше растворим .

В соответствии с этим правилом эмульгаторы с большими числами ГЛБ (гидрофильно-липофильного баланса), такие как, например, олеат натрия или лаурилсульфат натрия, способствуют образованию прямых эмульсий. Наоборот, эмульгаторы с малыми числами ГЛБ (например, олеат кальция, олеиновая кислота) - стабилизируют обратные эмульсии. По-видимому, в механизме стабилизации эмульсий наиболее существенным является наличие адсорбционно-сольватного фактора агрегативной устойчивости. При этом наиболее плотной и обеспечивающей наибольшее расклинивающее давление будет такая структура адсорбционного слоя, при которой бóльшая часть молекулы (или сольватированного иона) эмульгатора будет находиться на внешней поверхности капель.

Это подтверждается и способностью к стабилизации эмульсий тонкодисперсными порошками. При этом порошковые эмульгаторы тоже подчиняются правилу Банкрофта, а именно, защищают от коалесценции капли той жидкости, которая хуже смачивает их частицы, тогда как лучше смачивающая жидкость становится дисперсионной средой. Так, при стабилизации эмульсии, состоящей из капель воды в масляной среде, сажей, частицы сажи размещаются на поверхности капель таким образом, что бóльшая их часть оказывается погружённой в масло. Из-за худшего смачивания вода оттесняется из прослоек между частицами сажи, в результате чего при столкновении капли воды не могут прийти в непосредственный контакт. Соприкасаются только частицы сажи, образующие достаточно прочную оболочку вокруг капель, в результате чего происходит взаимное отталкивание капель воды. И, наоборот, гидрофильный порошок, например, мел, защищает подобной "бронёй" капли масляной фазы в водной дисперсионной среде в эмульсиях противоположного типа. Стабилизация эмульсий порошками может рассматриваться в качестве простейшего и очень наглядного примера структурно-механического барьера как фактора стабилизации дисперсий.

Другим важным фактором агрегативной устойчивости эмульсий является образование двойного электрического слоя на поверхности капель в результате стабилизации ионогенными ПАВ. Следует только подчеркнуть, что этот фактор является наиболее действенным в случае эмульсий типа М/В, где полярные ионогенные группы эмульгатора при адсорбции оказываются на внешней поверхности капель. При этом сталкивающиеся капли в первую очередь испытывают взаимное отталкивание одноимённо заряженных противоионов. ДЭС, характеризующийся значительным электрокинетическим потенциалом, таким образом, является существенным дополнением к структурно-механическому барьеру. Если же эмульсия относится к типу В/М, то ДЭС формируется на внутренней поверхности капель и его роль в отталкивании частиц будет намного меньше, так как электрические силы проявляются на малых расстояниях.

Замена эмульгатора или изменение его природы в результате химических реакций может привести к обращению фаз эмульсии, особенно если объёмное соотношение её фаз близко к 1:1. Например, если к эмульсии оливкового масла в воде (М/В), стабилизированный стеаратом натрия, добавить раствор хлорида кальция, то эмульгатор переходит в кальциевую форму:

2 C 17 H 35 COONa + CaCl 2 = (C 17 H 35 COO) 2 Ca + 2 NaCl.

Возникший стеарат кальция содержит два больших углеводородных радикала, которые с двух сторон экранируют полярный центр, состоящий из иона Са 2+ , соединённого с двумя карбоксильными группами. Такое кальциевое мыло значительно лучше растворимо в масле, чем в воде. В результате при интенсивном встряхивании эмульсия обращается, т. е. масляная фаза становится дисперсионной средой, а водная – дисперсной фазой.

Аналогичное обращение фаз происходит при сбивании масла из сливок. При этом структурно-механический барьер на каплях эмульсии, состоящий, главным образом, из белка казеина, разрушается в результате интенсивного механического воздействия. Капли масла сливаются, но при этом захватывают мелкие капельки воды (с растворёнными в ней веществами), ранее бывшей дисперсионной средой молока. Поэтому отделённое от сыворотки и спрессованное сливочное масло всегда содержит множество капель воды, т. е. по существу является эмульсией типа В/М.

На практике, в том числе и в фармацевтической технологии, часто возникает необходимость определения типаобразовавшейся эмульсии. Так, в лечебных целях для внутреннего применения используются эмульсии типа М/В. В виде наружных средств могут применяться эмульсии обоих типов, как М/В, так и В/М. Однако при приготовлении эмульсий следует контролировать тип образующейся эмульсии, так как всегда имеется некоторая вероятность того, что полученная эмульсия будет принадлежать к другому типу. Это может произойти в результате даже небольших ошибок в дозировке эмульгатора и каждой из жидких фаз, в результате обращения фаз при слишком интенсивном встряхивании при получении и др. Для определения типа эмульсий существует несколько способов, принцип которых изложен ниже.

Метод окрашивания . К небольшому количеству эмульсии добавляется водо- или жирорастворимый краситель. После перемешивания капля эмульсии рассматривается под микроскопом. По тому, какая фаза - капельки дисперсной фазы или среда - окрашивается данным красителем, делается вывод о типе. Например, если был использован жирорастворимый краситель судан-III, и под микроскопом видно, что он окрасил в красный цвет капли дисперсной фазы, а дисперсионная среда при этом осталась бесцветной, значит, мы имеем дело с эмульсией типа "масло в воде".

Метод смачивания гидрофобной поверхности осуществляется нанесением капли исследуемой эмульсии на поверхность парафинированной пластины. С парафином при этом соприкасается дисперсионная среда эмульсии, которая ведёт себя соответственно сродству к нему. А именно, эмульсии типа В/М при этом или полностью растекаются по поверхности, или образуют с ней острый краевой угол смачивания, а эмульсии типа М/В не растекаются и образуют тупой или близкий к прямому краевой угол. Таким образом, рассматривая каплю в плоскости пластинки, можно по краевому углу смачивания сделать заключение о типе эмульсии.

Метод разбавления водой . На чистой стеклянной пластинке рядом с каплей исследуемой эмульсии помещается капля дистиллированной воды так, чтобы обе капли пришли в соприкосновение. Эмульсии типа М/В легко смешиваются с водой, так как вода имеет одинаковую природу с дисперсионной средой. При соприкосновении капель воды и прямой эмульсии они быстро сливаются в одну, и происходит разбавление эмульсии. Капля обратной эмульсии долго сохраняет поверхность раздела с каплей воды, так как её неполярная среда не смешивается с водой.

Метод электрической проводимости . Эмульсии типа В/М в отличие от прямых практически не проводят электрический ток, так как он может распространяться только по непрерывной дисперсионной среде. Значит, измеряя электрическую проводимость или сопротивление эмульсии, можно сделать заключение о её типе.

ПЛАН ЗАНЯТИЯ 26.

Преподаватель : Чумаченко Е.В.

Тема: «Общая характеристика грубодисперсных систем, их классификация. Характеристика эмульсий».

Цели:

Образовательная: изучить свойства грубодисперсных систем и их классификацию.

Воспитательная: привитие интереса к дисциплине.

Развивающая: развитие умения использовать теоретические знания на практике.

Учебно-методическое обеспечение и оснащение: мультимедийное оборудование, компьютер.

Тип занятия – сообщение новых знаний.

Вид занятия – лекция – беседа (с использованием технических средств, презентации, химических опытов).

Методы обучения:

1. По источникам передачи и характеру восприятия информации -

наглядный (демонстрация презентации).

2. По характеру познавательной деятельности – объяснительно-иллюстративный.

Межпредметные связи физика.

Ход занятия.

Организационный момент.

Изучение нового материала:

1. Общие сведения о грубодисперсных системах.

2. Характеристика эмульсий.

Закрепление материала

Обсуждение материала по вопросам.

Домашние задание:

Общие сведения о грубодисперсных системах.

Системы, в которых размер частиц дисперсной фазы не менее 10~ 5 см, называются грубодисперсными. К ним относятся эмульсии, пены, порошки и суспензии, име­ющие более низкую степень дисперсности, чем коллоиды. Грубодисперсные системы по ряду свойств приближа­ются к микрогетерогенным системам, поэтому имеют много общего с коллоидами.

Подобно коллоидам они гетерогенны и обладают сильно развитой поверхностью раздела фаз. Наличие значительной удельной поверхности согласно второму закону термодинамики приводит эти системы к агрегативной неустойчивости. Поэтому агрегативную устойчи­вость таким системам можно придать добавлением стабилизатора, который адсорбируется на частицах дисперс­ной фазы.

Из-за отсутствия броуновского движения эмульсии, пены и суспензии кинетически неустойчивы. В них на­блюдается или оседание частиц под влиянием сил тя­жести (когда плотность вещества частиц больше плот­ности среды), или всплывание частиц (если плотность вещества частиц меньше плотности среды).

Грубодисперсные системы широко распространены в природе и применяются в практической деятельности че­ловека. Особенно важное значение имеют они в техноло­гии приготовления пищи, ибо большинство кулинарных изделий или полуфабрикатов являются эмульсиями, по­рошками, пенами или суспензиями.

Характеристика эмульсий.

Строение и получение эмульсии. Эмульсии - гетеро­генные системы из взаимно нерастворимых жидкостей. В таких системах одна из жидкостей (дисперсная фаза) извешена в другой (дисперсионной среде) в виде ка­пелек.

Чаще всего эмульсии состоят из воды и второй жид­кости, которую принято обозначать как «масло». Так, к числу «масел» относятся бензин, керосин, бензол, масламинеральные, животные, растительные и другие неполярные жидкости.

Можно диспергировать гидрофобную жидкость в во­де, например приготовить эмульсию бензола в воде. Вполне возможно диспергировать и воду в бензоле и получить при этом эмульсию воды в бензоле. Следователь­но, принципиально могут быть эмульсии двух типов: масло в воде (сокращено м/в), где дисперсной фазой будет масло, а дисперсионной средой - вода, и вода в масле (сокращено в/м), когда дисперсная фаза - вода, дисперсионная среда - масло. Примером эмульсии первого типа может служить коровье молоко (эмульсия жира в гидрозоле белка), а эмульсии второго типа - природная нефть, различные медицинские мази (эмульсии воды в масле).

Эмульсии обычно получают механическим диспергированием (эмульгированием) одной жидкости в другой.

Эмульгируемые жидкости сильно перемешивают, встряхивают или подвергают вибрационному воздействию с помощью мешалок, коллоидных мельниц, ультразвука. В кулинарной практике это выполняется на специальных взбивальных машинах или иногда вручную различными взбивалками.

Благодаря огромному увеличению поверхности разде­ла между двумя жидкостями эмульсия приобретает боль­шой запас свободной поверхностной энергии Е и стано­вится термодинамически неустойчивой. Согласно второму закону термодинамики такая система будет стремить­ся самопроизвольно перейти в устойчивое состояние пу­тем уменьшения запаса свободной поверхностной энер­гии. Этот самопроизвольный процесс может происходить или за счет уменьшения поверхностного натяжения σ, или за счет уменьшения величины поверхности S, так как свободная поверхностная энергия связана с поверхност­ным натяжением и суммарной величиной поверхности уравнением E=σS.

Если понижение запаса свободной поверхностной энергии пойдет за счет уменьшения суммарной поверх­ности системы, это выразится в слиянии капелек жира, в уменьшении числа жировых капелек. Слияние капель эмульсии называют коалесценцией, она подобна коагу­ляции и быстро заканчивается расслоением системы на две отдельные жидкие фазы с минимальной поверх­ностью раздела. Такое слияние приводит к разрушению эмульсии. Следовательно, подобно коллоидам, эмульсии являются агрегативно неустойчивыми системами.

Понижения поверхностной энергии эмульсии можно добиться уменьшением поверхностного натяжения. Это­го можно достичь введением в систему какого-либо по­верхностно-активного вещества, способного адсорбиро­ваться на поверхности капелек эмульсии и препятство­вать их слиянию. Подобные вещества, стабилизирующие эмульсию, называют стабилизаторами или эмульгатора­ми . При этом суммарная поверхность системы остается неизменной, а образующаяся эмульсия становится агре­гативно устойчивой.

К разбавленным эмульсиям относятся системы, в ко­торых объемная доля дисперсной фазы менее 1%. Они устойчивы без специальных эмульгаторов. Устойчивость разбавленных эмульсий объясняется довольно малыми размерами капелек жидкости и незначительной концен­трацией этих систем.

В концентрированных эмульсиях объемная доля дис­персной фазы от 1 до 74%. Увеличение концентрации приводит к понижению агрегативной устойчивости, ибо увеличивается вероятность столкновения, а следователь­но, и коалесценция капель. Поэтому для повышения аг­регативной устойчивости концентрированных эмульсий вводят эмульгатор, который, адсорбируясь на границе раздела двух жидкостей, уменьшает поверхностное на­тяжение. Образующиеся на поверхности капелек эмуль­гированной жидкости прочные адсорбционные пленки препятствуют коалесценция. Система становится агрегативно устойчивой. В зависимости от типа эмульсий следует брать гидрофильные или гидрофобные эмульга­торы той или иной степени дисперсности.

Эмульгатор должен быть подобен той жидкости, ко­торая образует дисперсионную среду. Так, эмульсии типа м/в стабилизируются растворимыми в воде высоко­молекулярными соединениями, например белками или водорастворимыми гидрофильными мылами (олеатом натрия и вообще мылами щелочных металлов). Эмульга­торами при получении эмульсии типа в/м служат высоко­молекулярные вещества, нерастворимые в воде, но хоро­шо растворимые в углеводородах (каучук, смолы и др.), а также нерастворимые в воде мыла многовалентных ме­таллов.

В адсорбционных слоях молекулы эмульгатора, содер­жащие полярные и неполярные группы (мыла, белки), ориентируются полярными концами к полярной жидкос­ти, а неполярными к неполярной. На поверхности капе­лек жидкости в эмульсиях типа м/в и в/м будет наблю­даться противоположная ориентация молекул таких эмульгаторов.

Подобные оболочки из поверхностно-активных ве­ществ на поверхности капелек эмульсии довольно проч­ны и упруги. При соударении частиц они, как правило, не разрушаются - эмульсии приобретают устойчивость.

Кроме высокомолекулярных соединений и мыл эмульгаторами для эмульсий как первого, так и второго типа могут служить порошки, так называемые твердые эмуль­гаторы. Однако они менее эффективны, чем мыла и высокополимеры. Порошки должны быть высокодисперсными и обязательно должны лучше смачиваться той жидкостью, которая служит дисперсионной средой; в этом случае большая часть твердых частиц будет на­ходиться с внешней, наружной стороны капелек, образуя оболочки высокой прочности, которые предохраняют их от коалесценции при столкновениях. Если же частицы порошка лучше смачиваются жидкостью, которая пред­ставляет собой дисперсную фазу, то большая часть каждой частицы окажется втянутой внутрь капель, поверх­ность капелек эмульсии окажется незащищенной, и та­кие эмульсии будут коалесцировать. Поэтому гидрофильные порошки, например мука, мел, оксид же­леза (III), глина, стабилизируют эмульсии типа м/в, тогда как сажа и другие гидрофобные порошки стабили­зируют эмульсии типа в/м.

Высококонцентрированные эмульсии с концентрацией дисперсной фазы более 74% называют желатинирован­ными . В подобных эмульсиях капельки дисперсной фазы сильно деформированы. Из шариков они превращаются в многогранники, последние могут быть плотнее упако­ваны. Поэтому высококонцентрированные эмульсии мо­гут содержать дисперсной фазы до 99% . Дисперсионная среда в таких эмульсиях превращается в тонкие пленки, разделяющие дисперсную фазу на многогранники. Желатированные эмульсии твердообразны, сохраняют свою форму, не растекаются. Примером мо­гут служить сливочное масло, маргарин, майонез, гус­тые кремы.

Разрушение эмульсий. Во многих случаях разрушение эмульсии - деэмульгирование - может быть не менее важным, чем их образование. Деэмульгирование сводит­ся к коалесценции эмульсии, т. е. к расслаиванию ее на свободные жидкие фазы. Разрушение эмульсий может быть достигнуто следующими способами:

1) химическим разрушением защитных пленок соот­ветствующими веществами, например разрушение серной кислотой эмульгатора молока при определении его жирности;

2) разрушением защитных пленок механическим воз­действием , например, при сбивании сметаны и сливок для получения масла (здесь де эмульгирование сопровож­дается концентрированием, т. е. образованием желатини­рованной эмульсии);

3) термическим разрушением - расслоением эмуль­сий при нагревании ; при этом уменьшается адсорбция эмульгатора и увеличивается число столкновений капе­лек, что ведет к их слиянию. Такое разрушение (расслое­ние) эмульсий наблюдается при длительном кипячении соусов, при изготовлении топленого масла. Разрушение эмульсий происходит и при понижении температуры - вымораживании. Например, при хранении майонеза ниже -15° С замерзает дисперсионная среда, что при последующем оттаивании ведет к его разрушению.

Значение эмульсий . Эмульсии широко распростране­ны в природе (сырая нефть, млечный сок растений-кау­чуконосов). Эмульсии используются и образуются при многих производственных процессах. Эмульсиями явля­ются разнообразные продукты питания; молоко, сливоч­ное масло, маргарин, сливки.

Молоко - это полидисперсная система, компоненты которой находятся в различной степени дисперсности. В теплом молоке жир находится в эмульгированном со­стоянии, а белковые вещества и часть солей - в коллоид­ном, другая часть солей в виде истинных растворов. При стоянии молока образуется слой концентрированной эмульсии - сливки. Для повышения устойчивости его гомогенизируют. В процессе гомогенизации крупные жи­ровые капельки молока уменьшаются в несколько раз. Такое гомогенизированное молоко очень устойчи­во и не образует слоя сливок в течение нескольких ме­сяцев.

Из молока изготовляют сливочное масло и маргарин. Маргарин представляет собой эмульсию типа в/м, а сли­вочное масло - сложную структурированную эмульсию, содержащую элементы обоих типов эмульсии м/в и в/м в разных соотношениях.

Велико значение эмульсий и эмульгирования в кули­нарной практике. Физиология питания ставит перед тех­нологией приготовления пищи задачу не только увели­чить усвояемость пищи, но и уменьшить энергетические затраты на ее усвоение и облегчить течение биохимических реакций в пищеварительном тракте. С этой точки зрения имеет большое значение, например, эмульги­рование жиров в кулинарной практике. В качестве примера рассмотрим особенности приготовления майо­незов.

Дисперсионная среда в этих эмульсиях - вода желт­ков и уксуса, дисперсная фаза - растительное масло. Эмульгаторами служат лецитин и виттелин желтка и белки порошка горчицы. Жира в майонезе содержится 75%. Он раздроблен на мельчайшие шарики. При ручном взбивании размер их составляет 1,5-2 10 -3 см, а при машинном - от 10 -4 до 4 10 -4 . В 1 г соуса содержится до 1 10 12 жировых шариков. На такое раз­дробление жира приходится затрачивать значительную работу. Если бы жир входил в пищу неэмульгированным, то эту работу должен был бы выполнять организм человека. Кроме того, если поверхность 1 см 3 масла равна всего 6 см 2 , то в майонезе она достигает 60000 см 2 . При таком увеличении поверхности во много раз облег­чается реакция между жирами и водой под действием ферментов пищеварительного тракта. Чем мельче жировые шарики, тем устойчивее полу­чается эмульсия. Однако большая степень раздробления жира (дисперсность) в соусах типа майонез играет и отрицательную роль.

Большая поверхность приводит к ускорению процессов окисления и прогоркания жиров под действием света и кислорода. Поэтому майонез необ­ходимо хранить в темном месте и в герметический таре.

Нежелательным является эмульгирование жира в процессе варки мясных бульонов (обычно при сильном кипении), так как эмульгированные жиры легко гидролизуются (омыляются) и выделяющиеся жирные кислоты придают бульонам вкус сала и запах мыла.

Эмульсией называется коллоидная высокодисперсная система, в которой дисперсная фаза и дисперсионная среда являются несмешивающимися жидкостями в присутствии эмульгатора , препятствующего их расслаиванию. Эмульгатор представляет собой поверхностно-активное вещество (ПАВ), необходимое для образования стабильной эмульсии. Он создает защитные оболочки вокруг частиц дисперсной фазы, в результате чего они не слипаются между собой.

Виды водных эмульсий:

Эмульсия анионоактивная,

Эмульсия катионоактивная,

Эмульсия прямая,

Эмульсия обратная.

Эмульсией анионоактивной называется эмульсия, приготовленная с применением в качестве эмульгатора анионоактивных веществ, имеющих щелочные полярные группы: рН таких эмульсий колеблется в пределах 9…13.

Эмульсией катионоактивной называется эмульсия, приготовленная с применением в качестве эмульгатора катионоактивных веществ, имеющих кислотные полярные группы: рН таких эмульсий колеблется в пределах 2…6.

Эмульсия прямая – это эмульсия, в которой органическая жидкость является дисперсной фазой и в виде мельчайших капелек распределена в дисперсионной среде – воде.

«Масло в воде»

Эмульсия обратная – это эмульсия, в которой диспергирована на мельчайшие капельки вода, а дисперсионной средой служит органическая жидкость «Вода в масле».

Главной задачей эмульгатора является стабилизация элементов дисперсной фазы в эмульсии. Эмульгаторы должны удовлетворять следующим требованиям:

Хорошо и быстро растворяться в дисперсионной среде;

Обеспечивать получение устойчивых во времени эмульсий;

Не допускать образование обратных эмульсий.

Битумные эмульсии

Битумные эмульсии – дисперсные системы, которые состоят из битума, воды и эмульгатора , придающего системе устойчивость. Битум в такой системе может выступать как в виде дисперсной фазы, так и дисперсионной среды. В первом случае он образует прямую эмульсию, во втором – обратную эмульсию.

Битумные дорожные эмульсии (ГОСТ 18659) относятся к эмульсиям прямого типа, в которых битум распределен в виде капель. Содержание битума определяется целевым назначением эмульсии и обычно составляет 30-70% по массе. Цвет битумных эмульсий – коричневый, от светлого (при невысоком содержании битума) до темного в зависимости от степени дисперсности входящего в них битума. Важным показателем является устойчивость эмульсий при хранении. Катионные эмульсии необходимо хранить и применять при температуре не ниже 5 о С. Замораживание эмульсии недопустимо, поскольку при последующем оттаивании она разрушается необратимо. Максимальная температура, при которой можно хранить и применять битумную эмульсию, не должна превышать 85 о С.

Эмульсии достаточно устойчивы в объеме, но обладают высокой чувствительностью при соприкосновении с поверхностью различных материалов. При нанесении на поверхность или при смешении с каменными материалами эмульсия распадается на составные части – битум и воду. Битумные эмульсии по скорости распада подразделяются на:

Быстрораспадающиеся (в течение нескольких минут)

Среднераспадающиеся (в течение нескольких часов)

Медленнораспадающиеся (в течение нескольких суток)

Необходимая скорость распада эмульсий определяется технологией применения. Быстрораспадающиеся эмульсии используют для поверхностной обработки, грунтовки и устройства щебеночного покрытия методом пропитки. Среднераспадающиеся эмульсии применяют для приготовления черного щебня, устройства поверхностной обработки, проведения ямочного ремонта и укладки слоев дорожной одежды по методу пропитки. Медленнораспадающиеся эмульсии используются для устройства слоев дорожной одежды из минеральных наполнителей (щебня, гравия, песка), обработанных способом смешения на дороге, а также для плотных щебеночных, гравийных и песчано-гравийных смесей, приготовленных в установке, и для укрепления грунтов.

Прямые битумные эмульсии в зависимости от типа эмульгатора делятся на 4 вида:

Анионные (ЭБА 1,2,3);

Катионные (ЭБК 1,2,3);

Неионные;

Пасты (эмульгаторы - минеральные порошки).

Неионные эмульсии применяются очень редко, в случаях, когда требуется исключительная стабильность эмульсий, в первую очередь для холодных асфальтобетонных смесей, содержащих большое количество мелкодисперсного заполнителя. В основном в дорожном строительстве используют анионоактивные и катионоактивные битумные эмульсии.

. Наиболее применяемыми в последнее время стали эмульсии катионного типа, с электроположительным зарядом капель битума (рис.2). В качестве катионных эмульгаторов используются аминные соединения типа моноамина RNH 2 или диамина R-NH-R 1 -NH 2 . Аминные соединения нерастворимы в воде, и в растворимую форму их переводят взаимодействием с соляной кислотой, в результате чего образуются водорастворимые хлористые соединения типа хлорамина R-NH 3 Cl. Показатель рН катионных эмульсий составляет от 1 до 6 за счет избытка соляной кислоты.

Катионоактивные битумные эмульсии (ЭБК) подразделяются на три класса:

- быстрораспадающаяся эмульсия ЭБК-1;

- среднераспадающаяся эмульсия ЭБК-2;

- медленнораспадающася эмульсия ЭБК-3 .

Эмульсии ЭБК представляют собой суспензии , состоящие из битума, воды, эмульгаторов, соляной кислоты и хлористого кальция, применяемого в качестве стабилизатора – вещества, влияющего на стабильность эмульгатора.

Анионоактивные битумные эмульсии . Анионоактивные битумные эмульсии (ЭБА) с электроотрицательным зарядом капель битума (рис.3) используются реже , так как они менее стабильны и хуже осаждаются на поверхности каменного материала, особенно с кислотным характером.

В качестве анионных эмульгаторов используются: асидол-мылонафт, кубовые остатки нефтепереработки, контакт Петрова, госсиполовая смола (хлопковый гудрон), жировой гудрон, таловое масло и др. В состав анионных эмульгаторов входят жирные кислоты общей формулой RCOOH.

Эмульгаторы являются нерастворимыми веществами, и в раствор их переводят при химическом взаимодействии с гидроксидом натрия, в результате чего образуются водорастворимые натриевые соли данных кислот. Показатель рН таких эмульсий составляет от 9 до 13, и, как правило, они содержат избыточное количество гидроксида натрия.

Рисунок 2 - Катионоактивная битумная эмульсия

Рисунок 3 - Анионоактивная битумная эмульсия

Эмульсия, стабильная при хранении и транспортировке, при нанесении на минеральный заполнитель или на поверхность дорожного покрытия, должна необратимо разрушаться с требуемой скоростью. Скорость разрушения эмульсий регулируется типом и количеством эмульгатора. Однако на скорость разрушения влияют и другие факторы, такие как природа минерального заполнителя, температура и другие климатические условия. Когда эмульсия наносится на поверхность минерального заполнителя, электрические заряды поверхности минерала быстро поглощают определенное число ионов эмульгатора до уровня, при котором начинается разрушение эмульсии. Битум, высвобождаемый в процессе разрушения катионной эмульсии и имеющий на своей поверхности положительные заряды, хорошо прилипает к поверхности минерала с отрицательными зарядами.

На скорость разрушения и адгезию битумных эмульсий оказывает большое влияние минеральный состав заполнителя. Заполнители можно характеризовать как имеющие щелочной и кислотный характер поверхности. Примером заполнителя со щелочным характером поверхности может служить известняк, примером заполнителей с кислым характером поверхности – гранит и кварцит. Эмульсии по-разному ведут себя на заполнителях различной природы (табл. 3)

Таблица 3 - Поведение битумных эмульсий на заполнителях различной природы

На стабильность эмульсий оказывает влияние температура. При повышении температуры ускоряется испарение воды из эмульсии, что приводит к уменьшению объема дисперсионной среды (воды), повышается концентрация битума и битумные капли начинают соединяться друг с другом. В ходе этого процесса некоторая часть водной фазы может оказаться внутри битума, в результате чего образуется обратная эмульсия. Помимо температуры, на скорость распада эмульсий влияют такие погодные факторы, как относительная влажность и скорость ветра. При понижении влажности воздуха будет также происходить ускоренное испарение воды из эмульсии, что может привести к превращению ее в обратную. Разрушение эмульсий может быть ускорено воздействием механических сил, например, вибрацией катков или сильными порывами ветра.

Эмульсиями называются микрогетерогенные системы из несмешивающихся жидкостей, состоящие из мель­чайших капелек одной жидкости, размерами 10 -6 -10 -4 м (дисперсная фаза), распределенных в объеме другой жид­кости (дисперсионной среды).

К эмульсиям относится ряд важнейших жиросодержащих продуктов питания: молоко, сливки, сметана, сливочное масло, маргаран, майонез и др. Нерастворимые в воде жидкие растительные и твердые животные жиры, попадая в организм, переводятся эмульгированное состояние под действием желчных кислот. Затем капельки водной эмульсии жира подвергаются воздействию фер­ментов желудочного сока и при большой поверхности соприкосновения с желудочным соком легко усваиваются организмом.

Эмульсии образуются из двух несмешивающихся жидкостей, сильно различающихся по полярности. Практически всегда одной из жидкостей является вода (полярная жидкость), а другой ~ ка­кая-либо неполярная жидкость, обычно называемая маслом. Это могут быть растительные или нефтяные масла и другие неполярные жидкие органические вещества (бензол, хлороформ и др.). В зависимости от того, какая из жидкостей является дисперсионной средой (непрерывной фазой), а какая - дисперсной фазой (от­дельные капельки жидкости), эмульсии делят на два типа: пря­мые - "масло в воде" (М/В) и обратные - "вода в масле" (В/М) (рис. 27.16). Образование эмульсии типа М/В или В/М не зависит от соотношения объемов жидкостей, взятых для ее получения, а определяется природой эмульгатора. Дисперсионной средой всегда служит та жидкость, в которой растворим эмульгатор. Если эмульгатор растворим в воде, то образуется эмульсия типа М/В, если он растворим в масле, то - эмульсия В/М. Так, желчные кислоты, хорошо растворимые в воде, являются эмульгаторов для жиров, попадающих в организм, и образуют эмульсии типа М/В.

Рис. 27.16. Типы эмульсий: а - прямая эмульсия (М/В); б - обрат­ная (В/М)

В зависимости от концентрации дисперсной фазы различа­ют эмульсии разбавленные (не более 1,0 %), концентрирован­ные (не более 75 %) и высококонцентрированные, или кремы (более 75 %).

Эмульсии относятся к лиофобным дисперсным системам, по­этому они требуют присутствия специального стабилизатора, ко­торый называется эмульгатором. Хорошими эмульгаторами являются ПАВ и некоторые ВМС, дифильные молекулы которых, адсорбируясь на границе раздела масло/вода и ориентируясь в соответствии с правилом уравнивания полярностей, снижают межфазное поверхностное натяжение ж / ж. При этом вокруг мельчайших капелек дисперсной фазы образуется прочный слой из молекул эмульгатора, который увеличивает сродство дисперсной фазы к дисперсионной среде, т. е. лиофилизирует эмульсию. В качестве эмульгаторов возможно также использование тонкоизмельченных до мелкого порошка нерастворимых минералов: глины, гипса, сажи, оксидов и сульфидов некоторых металлов. При этом гидрофильные порошки стабилизируют прямые эмуль­сии М/В, а гидрофобные - стабилизируют обратные эмульсии В/М. Эмульгирующая способность порошков значительно меньше, чем растворимых эмульгаторов, и объясняется в основном соз­данием на поверхности капель структурно-механического барь­ера, ограждающего капли от слияния.

Агрегативная устойчивость эмульсий обеспечивается присут­ствием эмульгатора. Понижение агрегативной устойчивости эмуль­сии приводит к самопроизвольному слиянию капелек дисперсной фазы - коалесценции. Коалесценция в свою очередь может при­вести к разрушению эмульсии, т. е. разделению ее на два жид­ких слоя. В разбавленных эмульсиях, стабилизированных ионо-генными ПАВ, коалесценция может быть вызвана теми же фак­торами, что и коагуляция лиофобных коллоидных растворов: добавлением небольшого количества электролитов, механиче­ским воздействием (сбиванием, центрифугированием), нагрева­нием, способствующим десорбции эмульгатора.

Эмульсии - седиментационно неустойчивые системы. При их разрушении происходит оседание или всплывание капелек дисперсной фазы.

Эмульсии можно получать как диспергационными, так и конденсационными методами, но обычно для этой цели исполь­зуют диспергирование одной жидкости в другую в присутствии эмульгатора.

Эмульсии широко распространены в природе и играют боль­шую роль в практической медицине. Многие лекарства готовят в виде эмульсий. Как правило, внутрь принимают эмульсии ти­па М/В, а наружные лекарственные препараты представляют собой эмульсии типа В/М. В санитарно-гигиенической практи­ке часто возникает необходимость разрушать эмульсии с целью очистки природных и промышленных вод.