Коллоидная химия

Коллоидная химия


Эмульсии и эмульгаторы.


Грубодисперсные системы


Эмульсии это один из видов грубодисперсных систем. Помимо эмульсий к грубодисперсным системам относятся суспензии, пены, порошки и пр.


Грубодисперсные системы отличаются от коллоидных систем более крупным размером частиц дисперсной фазы. Верхний предел размеров коллоидных частиц составляет ~10-7 м, грубодисперсные системы имеют размер частиц от 10-7 м и выше.


Эмульсии


Эмульсиями называют дисперсные системы из несмешивающихся жидкостей. В таких системах, состоящих, например, из двух жидкостей, одна из них (дисперсная фаза) взвешена в другой (дисперсной среде) в виде капелек.


Размеры капелек различны и могут достигать 5 · 10-6 м и выше.


Ряд свойств эмульсий сходен со свойствами коллоидов: они также имеют выраженную поверхность раздела, неустойчивы и нуждаются в стабилизаторах (эмульгаторах).


Эмульсии могут образовывать только взаимно нерастворимые жидкости. Чаще всего эмульсии состоят из воды и жидкости, которые принято называть «маслом». Молекулы масла менее полярны, чем молекулы воды и в этом кроется секрет взаимной нерастворимости этих веществ.


Возможны два типа эмульсий: масло в воде (м/в) и вода в масле (в/м).


При энергичном взбалтывании смесей, состоящих из воды и масла, компонент, содержащийся в меньшем количестве, дробиться на мельчайшие капельки, распределяющиеся по всему объёму.


Если дисперсной фазой является масло, то образуется эмульсия, в которой капельки жидкости по свойствам очень схожи с частицами гидрофобного коллоида.


Главным фактором их устойчивости также является заряд, возникающий за счёт адсорбции некоторых ионов, обладающих этим зарядом. Таким образом капельки эмульсии имеют некоторый ζ-потенциал.


Обычно концентрация дисперсной фазы в эмульсиях чистых жидкостей (без стабилизаторов) не превышает 2%.


Устойчивость таких эмульсий невысока, легко происходит самопроизвольное слияние капелек дисперсной фазы (так называемая коалесценция) и последующее расслоение жидкости. Чем меньше размер капелек, тем устойчевее эмульсия.


Коалесценция и коагуляция – два родственных процесса. Оба связаны с потребностью дисперсных систем уменьшить свою свободную энергию.

Термин коалесценция используют по отношению к слиянию капель жидкости или газовых пузырьков.

Коагуляция – это процесс слипания твердых частиц в дисперсных системах с образованием более крупных частиц. Коагуляция ведёт к выпадению из коллоидного раствора осадка или к застудневанию.

Эмульгаторы


Достаточно устойчивую и концентрированную эмульсию можно приготовить лишь при добавлении стабилизатора (эмульгатора).


Эмульгаторы не только сообщают капелькам эмульгируемой жидкости заряд, но, главным образом, создают вокруг них своеобразную оболочку, препятствующую коалесценции.


Гидрофильные и гидрофобные эмульгаторы.

В наиболее важном с практической точки зрения случае эмульгаторы представляют собой дифильные вещества, молекулы которых имеют в своём составе, как полярную (гидрофильную) группу, так и неполярную (гидрофобную) часть.


В качестве примера дифильных веществ можно привести лецитин:


Лецитин


Именно благодаря наличию такой двойственной структуры становится возможной стабилизация, поскольку дифильные вещества имеют возможность одновременно взаимодействовать, как с водой и водорастворимыми веществами, так и с маслами или веществами жирной природы.


Эмульгаторы, молекулы которых имеют относительно длинную гидрофобную часть, обладают преимущественно гидрофобными свойствами. Такие эмульгаторы называют гидрофобными.


И, наоборот, эмульгаторы с относительно короткой гидрофобной частью, имеют большее сродство с водой и их, поэтому называют гидрофильными.


Стабилизация эмульсий типа «масло в воде».
Гидрофильные эмульгаторы.


Гидрофильные эмульгаторы необходимы для стабилизации эмульсий типа «масло в воде». При добавлении гидрофильного эмульгатора в такую эмульсию вокруг капельки масла образуется сплошной слой эмульгатора, сообщающий ей некоторую гидрофильность и повышающий её устойчивость (Рис. а).


Эмульсия типа масло в воде


Добавление в такую же смесь гидрофобного эмульгатора, большая часть молекулы которого погружается в капельку масла, не обеспечивает устойчивости эмульсии, поскольку часть поверхности капельки остаётся «открытой» и легко может происходить слияние с другими капельками (рис. б).


Стабилизация эмульсий типа «вода в масле».
Гидрофобные эмульгаторы.


Гидрофобные эмульгаторы стабилизируют эмульсии типа «вода в масле». Их молекула, находящаяся большей своей частью в дисперсионной среде (масле), удерживается на поверхности капелек воды своей гидрофильной группировкой (Рис. а).


Эмульсия типа вода в масле


В результате вокруг каждой капельки воды образуется плотная оболочка из молекул эмульгатора, препятствующая слиянию дисперсной фазы (воды).


Попытка получить эмульсию такого же типа с гидрофильным эмульгатором оказалась бы безуспешной, так как молекулы эмульгатора разместились бы в основном внутри капелек воды (Рис. б).


Вместо сплошной оболочки вокруг капелек имелись бы лишь выступающие над их поверхностью отдельные гидрофобные группы эмульгатора, не препятствующие коалесценции капелек.


Таким образом, эмульгатор должен обладать сродством к дисперсионной среде.


В зависимости от типа желаемой эмульсии следует брать гидрофильные или гидрофобные эмульгаторы той или иной степени диссоциации.


Классификация эмульгаторов

Дисперсность эмульгаторов
Эмульгаторы
для эмульсий
типа м/в
Эмульгаторы
для эмульсий
типа в/м

Грубая

CaCO3, CaSO4, Fe2O3, Fe(OH)3, SiO2, глина и др.

HgI2, PbO, сажа и др.

Коллоидная

Желатин, казеин, альбумин, крахмал, декстрин, гуммиарабик, лецитин, желчные кислоты и др.

Смолы, каучук, холестерин и др.

Молекулярная

Мыла щелочных металлов, красители

Мыла многовалентных металов


Эмульгатором можно задать тип эмульсии


Добавляя в дисперсную систему тот или иной тип стабилизатора (эмульгатора), можно задать тип эмульсии.


Если к смеси равных объёмов воды и бензола добавить гидрофильный эмульгатор, то образуется эмульсия типа «масло в воде».


Добавление гидрофобного эмульгатора приводит к возникновению эмульсии типа «вода в масле».


Применение соответствующих эмульгаторов позволяет получать эмульсии, в которых объём дисперсной фазы гораздо больше объёма дисперсионной среды.


Так, Кремнев получил эмульсию из 150 частей бензола в 1 части воды.


Моющее действие эмульгаторов


Образование эмульсии происходит при отмывании жирных пятен мылом. Пептизированные, а затем стабилизированные солями жирных кислот частички жира легко уносятся водой.


Пептизация — расщепление агрегатов, возникших при коагуляции дисперсных систем, на первичные частицы под действием жидкой среды (например, воды) или специальных веществ — пептизаторов. Пептизированные частицы – частицы, отщеплённые от основной массы коагулята, а в данном случае - от жирового загрязнения.


Моющие средства должны быть сильными поверхностно-активными гидрофильными эмульгаторами. Поверхностное натяжение моющего раствора должны быть почти вдвое ниже, чем у воды.


Моющее действие этих растворов возрастает с повышением их концентрации и увеличением гидрофобной части молекулы применяемого эмульгатора.


Биологическое значение эмульсий


Пищевые продукты


Примером эмульсий является молоко, которое представляет собой взвешенные в воде частички жира, эмульгированные белком (казеиногеном).


При стоянии молока образуется слой концентрированной эмульсии (сливки).


Сбивание сливок приводит к разрушению белковой оболочки, жир коалесцирует в крупные комочки сливочного масла, которое тоже представляет собой эмульсию, но уже типа «вода в масле».


Аналогичными этому типу эмульсиями являются:


  • Маргарин,
  • Майонез,
  • Мороженное и пр.

Маргарин – эмульсия из мелкораздробленных гидрогенезированных растительных жиров.


Эмульсии в физиолгии человека


Эмульсии нередко встречаются в организме человека:


1. Жиры в крови и лимфе находятся в эмульгированном состоянии (эмульгатор – белки крови).


2. При пищеварении в кишечнике также образуется жировая эмульсия, но здесь стабилизатором служат соли желчных и жирных кислот. Опыты показали, что растворы солей желчных кислот могут обладать поверхностным натяжением менее 1 эрг/см2, т.е. настолько низким, что может идти самопроизвольное раздробление жира (без его механического измельчения). Таким образом, желчь имеет важное значение для переваривания и всасывания жиров в жилудочно-кишечном тракте.


3. Эритроциты в крови можно по ряду свойств рассматривать так же, как частички гидрофобной эмульсии.


На их поверхности отсорбированы молекулы белков, аминокислот и ионы электролитов. Все они сообщают эритроцитам определённый отрицательный заряд, а противоионы создают некоторый диффузный слой.


При паталогических процессах в организме, когда в крови увеличивается содержание некоторых видов белков (либо особого глюкопротеида, относящегося к альфа-глобулинам, либо при инфекционных заболеваниях гамма-глобулинов) происходит процесс, очень напоминающий ионообменную адсорбцию: место ионов электролитов на поверхности эритроцитов занимают белки, заряд которых ниже, чем у суммы замещённых ими ионов.


В результате заряд эритроцитов понижается, они быстрее объединяются и оседают (ускоряется реакция оседания эритроцитов – РОЭ).


Этот процесс зависит ещё от ряда факторов: содержания других белковых фракция и мукополисахаридов, концентрации эритроцитов в кровии, от наличия в крови микробов, наконец, расположения сосуда, в котором наблюдается РОЭ (в частности, скорость её ниже в наклонно расположенном капиляре).


Оседание эритроцитов происходит сходно с процессом седиментации гидрофобного коллоида.


Оглавление


Органическая химия

Биохимия

Косметическая химия


Коллоидная химия


• Три агрегатных состояния
   вещества

• Силы межмолекулярного
   взаимодействия

Свойства жидкостей.

• Характеристика жидкого
   состояния вещества.

• Поверхностное натяжение
   жидкости.

Растворы.

• Понятие раствора.

• Гидраты и сольваты.

Дисперсные системы. Коллоиды.

• Дисперсные системы.
   Определение.
   Классификация:

       - Суспензии,
       - Эмульсии,
       - Пены,
       - Золи,
       - Гели.

• Адсорбция.

• Коллоидные частицы.
       - Виды коллоидных частиц.
       - Строение коллоидной
         мицеллы.

• Коагуляция коллоидных
   растворов.

• Стабилизация
   коллоидных растворов.

• Эмульсии и эмульгаторы.

• Взаимодействие
   "воды" и "масла".

Вещества, понижающие поверхностное натяжение (ПАВы).

• Что такое ПАВы?
• Строение ПАВ.
• Работа ПАВ в дисперсных
   системах.

       - Моющие средства.
       - Эмульгаторы.

• Классификация ПАВ.
   По типу гидрофильных групп:
       - анионные,
       - катионные,
       - амфотерные,
       - неионные.

   По характеру использования:
       - моющие средства,
       - смачиватели,
       - эмульгаторы,
       - солюблизаторы.

   По длине гидрофобной цепи:
       - Гидрофобные ПАВ,
       - Гидрофильные ПАВ.

• Использование ПАВ.
• Воздействие ПАВ
   на человека.

• Влияние ПАВ на
   окружающую среду.

• Моющие средства.