Лабораторная работа № 4

ЭМУЛЬСИИ

Цель работы: Приготовление эмульсии подсолнечного масла в воде.

Принадлежности к работе: коническая колба с притертой пробкой; мерный цилиндр; пробирка; 4- 5 г буры; 2 - 3 мл подсолнечного масла.

Теоретическая часть

Эмульсии - это дисперсные системы, в которых и дисперсная фаза (условно: растворенное вещество), и дисперсионная среда (условно: растворитель) - жидкие. Степень дисперсности обычных эмульсий не очень велика: радиус их частиц порядка 10^-3 – 10^-5 см. Обычные эмульсии - это микрогетерогенные системы, состоящие из двух несмешиваюшихся жидкостей, одна из которых диспергирована в другой в виде весьма мелких капель. Обычно одна из фаз эмульсии - вода. Другой фазой может быть любая органическая жидкость, не смешивающаяся с водой: масло, бензол, бензин, керосин и др. Эту другую жидкость принято называть, независимо от ее химической природы, маслом. Кроме воды и масла, всякая устойчивая эмульсия обязательно содержит еще третий компонент, придающий ей агрегативную устойчивость, который называется эмульгатором.

Вода и масло образуют эмульсии двух типов. Первый тип: вода - дисперсионная среда, масло - дисперсная фаза, это эмульсии масла в воде (М/В) - прямые эмульсии. Второй тип - эмульсии воды в масле (В/М) - обратные.

Различают эмульсии разбавленные (концентрация дисперсной фазы до 0,1 %) н концентрированные (концентрация дисперсной фазы > 1 %). Разбавленные эмульсии стабилизируются электролитами, создающими двойной электрический слой на поверхности эмульгированных капель. Они устойчивы, без специальных эмульгаторов. Концентрированные эмульсии устойчивы лишь в присутствии специальных эмульгаторов, в качестве которых используются вещества, образующие на капельках эмульгированной жидкости прочную пленку, не разрывающуюся при столкновениях. Это ВМС: желатин, каучук, смолы и полуколлоиды - мыла.

Выбор эмульгатора определяется следующим правилом: эмульсии М/В стабилизируются растворимыми в воде высокомолекулярными соединениями, например белками, и иоднорастворнмыми - гидрофильными мылами (олеатом натрия, например). Эмульсии В/М стабилизируются ВМС, растворимыми в углеводородах, например полиизобутиленом, олеофильнымн смолами и мылами с поливалентными катионами (олеатом кальция), нерастворимыми в воде и растворимыми в углеводородах.

Пользуясь эффективными эмульгаторами, можно получить эмульсию с очень высокой концентрацией дисперсной фазы - до 99 %. Форма капель в концентрированных эмульсиях искажается, из шариков они превращаются в многогранники. Это связано с тем, что многогранники могут быть плотнее упакованы, чем шарики.

Эмульсии с концентрацией дисперсной фазы более 74 % называют желатинированными. По физическим свойствам они отличаются от обычных. Обычные эмульсии - это жидкости (например, молоко, сливки), желатинированные - твердообразны (например, консистентные смазки, сливочное масло, маргарин, майонез, густые кремы).

Эмульсию одного типа можно превратить в эмульсию другого типа. Это явление называется обращением фаз в эмульсиях (инверсия), оно достигается путем изменения природы эмульгатора. Например, эмульсию бензола в воде, стабилизированную растворимым в воде мылом щелочного металла (олеатом натрия), легко превратить в эмульсию воды в бензоле. Для этого нужно ввести раствор соли с поливалентным катионом (например, СаСl₂). При этом образуется нерастворимый в воде олеат кальция, который растворяется в бензоле и стабилизирует эмульсию воды в бензоле.

Эмульсии получают механическим диспергированием дисперсной фазы в дисперсионной среде в присутствии соответствующего эмульгатора. Для диспергирования эмульгируемых жидкостей применяют сильное перемешивание, встряхивание, вибрации, что осуществляется с помощью специальных эмульсаторов, мешалок, коллоидных мельниц, ультразвука. Самопроизвольное эмульгирование играет существенную роль в процессах, связанных с перевариванием и усвоением пищи животным организмом. При попадании, например, в кишечник жира сначала происходит самодиспергирование жира под влиянием ПАВ (холевых кислот), содержащихся в желчи, а затем полученная высокодисперсная эмульсия всасывается через стенку кишечника в организм.

К природным эмульсиям относится ряд ценнейших растительных и животных продуктов: молоко, яичный желток, латекс - млечный сок каучуконосов, из которого получают натуральный каучук.

В пищевой промышленности к эмульсиям относятся не только молочные продукты, но и маргарины, майонезы, соусы. В фармацевтической промышленности многие лекарства применяются в виде эмульсий. Большое значение имеют эмульсии в строительном деле. Эмульсии битума в воде широко применяются при строительстве и ремонте дорог. В сельском хозяйстве гербициды и инсектофунгициды применяются в виде эмульсий.

Работа, затрачиваемая на диспергирование одной жидкости в другую, в значительной мере идет на увеличение свободной поверхностной энергии системы (DF межфазного поверхностного слоя): DF= s × DS > 0, где DS - увеличение поверхности раздела фаз. Это обусловливает агрегативную неустойчивость эмульсий - способность к самопроизвольному слиянию капель (коалесценции) при их столкновениях, что сопровождается сокращением межфазной поверхности и убылью свободной энергии системы. Такие агрегативно неустойчивые эмульсии (и другие дисперсные системы) называются лиофобными. В отличие от них лиофильные эмульсии являются термодинамически устойчивыми и равновесными системами. Примером могут быть так называемые критические эмульсии, возникающие в результате самопроизвольного диспергирования вблизи критической температуры смешения двух жидкостей, когда межфазное натяжение достигает предельно низких значений и энергии теплового движения оказывается достаточно для диспергирования.

При получении высококонцентрированных эмульсий по мере возрастания объемной доли дисперсной фазы (и увеличении дисперсности) происходит постепенное снижение толщины слоя дисперсионной среды между каплями и увеличение его площади.

При некоторой предельно малой (критической) толщине пленки она утрачивает стабилизирующую способность, прорывается, так что дальнейшее повышение концентрации и степени дисперсности эмульсии становится невозможным. Дополнительно введенное количество дисперсной фазы не эмульгируется, отслаивается.

Предельная (критическая) толщина d_кр стабилизирующего слоя и соответствующая ей предельная величина поверхности S_µ являются индивидуальной характеристикой эмульгатора и служат мерой его эмульгирующей способности, а эмульсии при условии d = d_кр называются предельно концентрированными.

Под эмульгирующей способностью эмульгатора понимают максимальное количество дисперсной фазы, которое можно диспергировать в данном объеме эмульгатора при некоторых определенных условиях. Количественно эмульгирующую способность можно выразить в объемных процентах дисперсной фазы С_об, %:

С_об, % = V_ф/(V_ф + V_с)

или в величинах кратности эмульсии V_ф/V_с, где V_ф – объем дисперсной фазы, V_с – объем дисперсионной среды.

Экспериментальная часть

Взвесить 4 - 5 г буры, перенести в коническую колбу и растворить при нагревании в 95 мл дистиллированной воды. Добавить 2 - 3 мл подсолнечного масла и сильно взболтать в течение 10 с. Получается устойчивая эмульсия. 10 мл эмульсии из цилиндра переливают в пробирку и определяют время расслоения.