Файл: Эмульсии. Классификация эмульсий. Методы определения типа эмульсий. Устойчивость и обращение фаз в эмульсиях.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.03.2024
Просмотров: 16
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
дисперсную фазу и противостоит процессу коалесценции, что обеспечивает устойчивость эмульсии. Гидрофобные порошки, которые не смачиваются водой (сажа, металлы и их сульфиды, парафины, стеарины, фторопласты), лучше смачиваются неполярными растворителями (маслом). Поэтому расположение таких частиц будет обратным: в прямых эмульсиях частицы порошка находятся в дисперсной фазе, а в обратных – в дисперсионной среде. Следовательно, гидрофобные порошки лучше стабилизируют эмульсию в/м.
Явление – обращение фаз эмульсии
При определенных условиях можно превратить прямую эмульсию в обратную и наоборот, т.е. произвести обращение фаз эмульсии. Достаточно прибавить к прямой эмульсии, стабилизированной стеаратом натрия, раствор CaCl2 и сильно встряхнуть, чтобы получить обратную эмульсию. Причина обращения – изменение природы эмульгатора в результате реакции ионного обмена. Образующийся стеарат кальция нерастворим в воде, слабо гидратирован и не образует за защитного барьера в водной среде. Кальциевое мыло значительно больше растворимо в масле, чем в воде.
Эмульсии седиментационно неустойчивы. Если фаза и среда отличаются по плотности, то возможны или оседание, или всплывание капелек дисперсной фазы, т. е. нарушение равномерности распределения дисперсной фазы в дисперсионной среде.
Агрегативная неустойчивость эмульсий проявляется в самопроизвольном
слиянии капель дисперсной фазы — коалесценции. Этот процесс приводит к
разрушению эмульсии и разделению ее на два жидких слоя. Для оценки
относительной устойчивости эмульсий выбирают либо время жизни
отдельной капли в контакте с другими каплями, либо скорость расслоения
эмульсий на фазы. Чаще пользуются второй характеристикой. Ее определяют,
измеряя высоту (объем) отслоившейся фазы через определенный промежуток времени. Например, через 5 секунд высота столба отслоившейся фазы
была 2.5 см, тогда скорость разделения фаз U = 0.5 см/с.
Используя эту характеристику, можно определить "время жизни" (τ) эмульсии,
τ = h / U,
где h — высота столба эмульсии. Допустим, высота столба эмульсии (h)
была 20 см. При скорости расслоения фаз U = 0.5 см/с, "время жизни" эмульсии
τ = 20 / 0.5 = 40 с.
Достаточно высокой агрегативной устойчивостью обладают только разбавленные эмульсии
, поскольку в них невелика вероятность столкновения капель дисперсной фазы. Также мала и поверхность раздела фаз, а следовательно, и поверхностная энергия.
Увеличение содержания дисперсной фазы приводит к увеличению поверхности раздела фаз и к резкому возрастанию поверхностной энергии, которую система стремится уменьшить за счет коалесценции капель. Особенно быстро коалесценция протекает в концентрированных и высококонцентрированных эмульсиях. Такие эмульсии могут быть агрегативно устойчивами только в присутствии стабилизаторов: ПАВ, ВМС, порошков, которые или снижают поверхностное натяжение на межфазной границе, или создают препятствие слиянию капель. По отношению к эмульсиям стабилизаторы называются эмульгаторами.
Стабилизация эмульсий поверхностно-активными ве ществами
При введении в эмульсии поверхностно-активных веществ возникают
следующие факторы устойчивости: электростатический, адсорбционносольватный и структурно-механический.
Рассмотрим, например, что происходит при добавлении в прямую эмульсию
некоторого количества ионогенного ПАВ — олеата натрия. Олеат натрия
диссоциирует на олеат-анион и катион Na+. Олеат-анион имеет дифильную
структуру: его гидрофильная ионизированная карбоксильная группа хорошо
взаимодействует с водой, а гидрофобный углеводородный радикал — с маслом.
Олеат-ионы адсорбируются на поверхности капель масла таким образом, что
отрицательно заряженные карбоксильные группы ориентированы в сторону
полярной среды, а углеводородные радикалы — в сторону неполярной фазы —
внутрь капель масла (рис. 6.1, а). За счет адсорбции поверхностно-активных
анионов снижается межфазное поверхностное натяжение, полярные группы
вместе с гидратирующими их молекулами воды создают на поверхности капель
масла адсорбционно-сольватные слои — возникает адсорбционно-сольватный
фактор. Отрицательно заряженные карбоксильные группы эмульгатора и
катионы натрия образуют на поверхности капель масла двойной электрический
слой с определенным -потенциалом — возникает электростатический
фактор. В данном случае основным стабилизирующим фактором является
именно электростатический. Олеат-ионы создают еще и структурномеханический фактор, так как за счет боковых гидрофобных взаимодействий
они образуют на границе раздела фаз структурированные слои из
углеводородных радикалов, обладающие прочностью и упругостью.
Растворимые в воде эмульгаторы, подобные олеату натрия, стабилизируют эмульсии масла в воде, т. е. прямые. Если же эмульгаторы лучше растворимы в масле, например, соли высших жирных кислот и щелочноземельных металлов, то они будут стабилизировать обратные эмульсии. В этом случае недиссоциирующие молекулы стабилизаторов адсорбируются на поверхности капелек воды. Их полярные группы обращены в сторону воды, а гидрофобные неполярные углеводородные радикалы — в масло (рис. 6.1, б). На наружной поверхности капель образуются адсорбционно-сольватные слои, снижающие поверхностное натяжение (адсорбционно-сольватный фактор), и обладающие прочностью и упругостью (структурномеханический фактор). Однако, в этом случае основным является энтропийный фактор, так как сближение капель вызывает уменьшение числа свободных конформаций углеводородных радикалов, направленных в дисперсионную среду и участвующих в молекулярно-кинетическом движении. Это должно приводить к уменьшению энтропии, что невыгодно для системы. В результате действия энтропийного фактора капли эмульсии стремятся равномерно распределиться по всему объему дисперсной системы и вероятность коалесценции их уменьшается.
Таким образом, олеат натрия стабилизирует эмульсии М/В, а олеат кальция — эмульсии В/М. Оказывается, что вообще тип образующейся эмульсии определяется природой эмульгатора. Эмульгаторы, лучше растворяющиеся, в воде (гидрофильные) дают прямые эмульсии, а лучше растворимые в масле (гидрофобные или липофильные, от греческого "липос" — жир) - обратные.
Такая характеристика стабилизирующей способности ПАВ весьма приблизительна. Оценить ее более точно можно, используя в качестве характеристики стабилизирующей способности числа гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ).
ГЛБ — это величина, характеризующая соотношение гидрофильных и липофильных свойств полярной и неполярной частей молекулы ПАВ.
Обращение фаз эмульсий
При определенных условиях можно превратить прямую эмульсию в обратную. Это явление называется обращением фаз эмульсии. Обращение фаз может происходить при изменении характера эмульгатора, например, при химическом превращении. Так, если в эмульсию, стабилизированную олеатом калия, добавить хлорид кальция, то в результате обменной реакции
2C17H33COOK + CaCl2 (C17H33COO)2Ca + 2KCl
гидрофильный эмульгатор с ГЛБ = 20 превратится в гидрофобный с ГЛБ = 4.3. Вследствие этого произойдет обращение фаз — масло станет дисперсионной средой, а вода дисперсной фазой.
Идею обращения фаз используют в некоторых современных представлениях о биологических мембранах, как о твердофазных эмульсиях, изменяющих в процессе обмена веществ свой тип и проницаемых либо для водорастворимых веществ, либо для веществ, растворимых в липидах.
Явление – обращение фаз эмульсии
При определенных условиях можно превратить прямую эмульсию в обратную и наоборот, т.е. произвести обращение фаз эмульсии. Достаточно прибавить к прямой эмульсии, стабилизированной стеаратом натрия, раствор CaCl2 и сильно встряхнуть, чтобы получить обратную эмульсию. Причина обращения – изменение природы эмульгатора в результате реакции ионного обмена. Образующийся стеарат кальция нерастворим в воде, слабо гидратирован и не образует за защитного барьера в водной среде. Кальциевое мыло значительно больше растворимо в масле, чем в воде.
Эмульсии седиментационно неустойчивы. Если фаза и среда отличаются по плотности, то возможны или оседание, или всплывание капелек дисперсной фазы, т. е. нарушение равномерности распределения дисперсной фазы в дисперсионной среде.
Агрегативная неустойчивость эмульсий проявляется в самопроизвольном
слиянии капель дисперсной фазы — коалесценции. Этот процесс приводит к
разрушению эмульсии и разделению ее на два жидких слоя. Для оценки
относительной устойчивости эмульсий выбирают либо время жизни
отдельной капли в контакте с другими каплями, либо скорость расслоения
эмульсий на фазы. Чаще пользуются второй характеристикой. Ее определяют,
измеряя высоту (объем) отслоившейся фазы через определенный промежуток времени. Например, через 5 секунд высота столба отслоившейся фазы
была 2.5 см, тогда скорость разделения фаз U = 0.5 см/с.
Используя эту характеристику, можно определить "время жизни" (τ) эмульсии,
τ = h / U,
где h — высота столба эмульсии. Допустим, высота столба эмульсии (h)
была 20 см. При скорости расслоения фаз U = 0.5 см/с, "время жизни" эмульсии
τ = 20 / 0.5 = 40 с.
Достаточно высокой агрегативной устойчивостью обладают только разбавленные эмульсии
, поскольку в них невелика вероятность столкновения капель дисперсной фазы. Также мала и поверхность раздела фаз, а следовательно, и поверхностная энергия.
Увеличение содержания дисперсной фазы приводит к увеличению поверхности раздела фаз и к резкому возрастанию поверхностной энергии, которую система стремится уменьшить за счет коалесценции капель. Особенно быстро коалесценция протекает в концентрированных и высококонцентрированных эмульсиях. Такие эмульсии могут быть агрегативно устойчивами только в присутствии стабилизаторов: ПАВ, ВМС, порошков, которые или снижают поверхностное натяжение на межфазной границе, или создают препятствие слиянию капель. По отношению к эмульсиям стабилизаторы называются эмульгаторами.
Стабилизация эмульсий поверхностно-активными ве ществами
При введении в эмульсии поверхностно-активных веществ возникают
следующие факторы устойчивости: электростатический, адсорбционносольватный и структурно-механический.
Рассмотрим, например, что происходит при добавлении в прямую эмульсию
некоторого количества ионогенного ПАВ — олеата натрия. Олеат натрия
диссоциирует на олеат-анион и катион Na+. Олеат-анион имеет дифильную
структуру: его гидрофильная ионизированная карбоксильная группа хорошо
взаимодействует с водой, а гидрофобный углеводородный радикал — с маслом.
Олеат-ионы адсорбируются на поверхности капель масла таким образом, что
отрицательно заряженные карбоксильные группы ориентированы в сторону
полярной среды, а углеводородные радикалы — в сторону неполярной фазы —
внутрь капель масла (рис. 6.1, а). За счет адсорбции поверхностно-активных
анионов снижается межфазное поверхностное натяжение, полярные группы
вместе с гидратирующими их молекулами воды создают на поверхности капель
масла адсорбционно-сольватные слои — возникает адсорбционно-сольватный
фактор. Отрицательно заряженные карбоксильные группы эмульгатора и
катионы натрия образуют на поверхности капель масла двойной электрический
слой с определенным -потенциалом — возникает электростатический
фактор. В данном случае основным стабилизирующим фактором является
именно электростатический. Олеат-ионы создают еще и структурномеханический фактор, так как за счет боковых гидрофобных взаимодействий
они образуют на границе раздела фаз структурированные слои из
углеводородных радикалов, обладающие прочностью и упругостью.
Растворимые в воде эмульгаторы, подобные олеату натрия, стабилизируют эмульсии масла в воде, т. е. прямые. Если же эмульгаторы лучше растворимы в масле, например, соли высших жирных кислот и щелочноземельных металлов, то они будут стабилизировать обратные эмульсии. В этом случае недиссоциирующие молекулы стабилизаторов адсорбируются на поверхности капелек воды. Их полярные группы обращены в сторону воды, а гидрофобные неполярные углеводородные радикалы — в масло (рис. 6.1, б). На наружной поверхности капель образуются адсорбционно-сольватные слои, снижающие поверхностное натяжение (адсорбционно-сольватный фактор), и обладающие прочностью и упругостью (структурномеханический фактор). Однако, в этом случае основным является энтропийный фактор, так как сближение капель вызывает уменьшение числа свободных конформаций углеводородных радикалов, направленных в дисперсионную среду и участвующих в молекулярно-кинетическом движении. Это должно приводить к уменьшению энтропии, что невыгодно для системы. В результате действия энтропийного фактора капли эмульсии стремятся равномерно распределиться по всему объему дисперсной системы и вероятность коалесценции их уменьшается.
Таким образом, олеат натрия стабилизирует эмульсии М/В, а олеат кальция — эмульсии В/М. Оказывается, что вообще тип образующейся эмульсии определяется природой эмульгатора. Эмульгаторы, лучше растворяющиеся, в воде (гидрофильные) дают прямые эмульсии, а лучше растворимые в масле (гидрофобные или липофильные, от греческого "липос" — жир) - обратные.
Такая характеристика стабилизирующей способности ПАВ весьма приблизительна. Оценить ее более точно можно, используя в качестве характеристики стабилизирующей способности числа гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ).
ГЛБ — это величина, характеризующая соотношение гидрофильных и липофильных свойств полярной и неполярной частей молекулы ПАВ.
Обращение фаз эмульсий
При определенных условиях можно превратить прямую эмульсию в обратную. Это явление называется обращением фаз эмульсии. Обращение фаз может происходить при изменении характера эмульгатора, например, при химическом превращении. Так, если в эмульсию, стабилизированную олеатом калия, добавить хлорид кальция, то в результате обменной реакции
2C17H33COOK + CaCl2 (C17H33COO)2Ca + 2KCl
гидрофильный эмульгатор с ГЛБ = 20 превратится в гидрофобный с ГЛБ = 4.3. Вследствие этого произойдет обращение фаз — масло станет дисперсионной средой, а вода дисперсной фазой.
Идею обращения фаз используют в некоторых современных представлениях о биологических мембранах, как о твердофазных эмульсиях, изменяющих в процессе обмена веществ свой тип и проницаемых либо для водорастворимых веществ, либо для веществ, растворимых в липидах.
