Emulsja

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Emulsjadwufazowy układ dyspersyjny ciecz-ciecz dwóch niemieszających się wzajemnie cieczy - polarnej i niepolarnej. Jest to układ termodynamicznie nietrwały. Kinetycznie trwałe emulsje można jedynie otrzymać w obecności emulgatora. Emulsja jest szczególnym przypadkiem układu koloidalnego.[1]

W mniej ścisłym sensie, stosowanym zwłaszcza w inżynierii chemicznej za emulsję uważa się każdą zawiesinę jednej cieczy w drugiej, niezależnie od tego czy występują w niej micele, natomiast nie uważa się za emulsję mieszanin gazów i ciał stałych w cieczy, nawet jeśli w powstałym układzie istnieją micele.

Zazwyczaj zawiesiny, w których nie występują micele są bardzo nietrwałe i ulegają łatwej sedymentacji. Niektóre kombinacje dwóch związków chemicznych tworzą trwałe emulsje w sposób spontaniczny po odpowiednio intensywnym ich zmieszaniu. Na ogół jednak do powstania trwałej emulsji niezbędny jest trzeci związek chemiczny zwany emulgatorem, który stabilizuje powstające micele.

Podział[edytuj | edytuj kod]

Przykład emulsji prostych typu O/W i W/O

Podziału emulsji można dokonać ze względu na:

  • charakter chemiczny faz
  • rozmiar kropli fazy wewnętrznej
  • stabilność emulsji
  • trwałość emulsji

Przyjmując za kryterium podziału charakter chemiczny, emulsje możemy podzielić na:

  • proste
  • podwójne
  • wielokrotne

Zgodnie z regułą Bancrofta, rodzaj emulsji jaka utworzy się w danym układzie, zależy od emulgatora. Gdy emulgatorami są surfaktanty, które lepiej rozpuszczają się w wodzie, to utworzy się emulsja typu O/W (emulsja oleju w wodzie), natomiast gdy emulgator jest lepiej rozpuszczalny w oleju utworzy się emulsja typu W/O (emulsja wody w oleju)[2]. Emulsje podwójne są te emulsje, w których faza wewnętrzna (np. olej) zawiera w sobie kropelki fazy zewnętrznej (np. wody). W tym przypadku można mówić o emulsjach typu O/W/O lub W/O/W. Emulsje wielokrotne są krotnościami emulsji prostych i podwójnych, np. W/O/W/O.
Ze względu na rozmiar kropli fazy wewnętrznej emulsje można podzielić na:

  • makroemulsje - rozmiar kropel 200-500 nm
  • mikroemulsje - rozmiar kropel 10-200 nm

Przy podziale ze względu na wielkość kropel fazy wewnętrznej należy również brać pod uwagę trwałość termodynamiczną emulsji, która określa stan, w którym stabilność ich właściwości fizycznych jest niezmienna w czasie i po nieskończenie długim okresie układ emulsyjny ma minimalną energię swobodną. Makroemulsje nie są układami trwałymi w sensie termodynamicznym, ponieważ nie znajdują się w stanie o możliwie najmniejszej energii swobodnej.
Biorąc pod uwagę, jako kryterium podziału, stabilność emulsji, emulsje możemy podzielić na:

  • emulsje ścisłe
  • emulsje luźne

Emulsje ścisłe posiadają małe, blisko siebie położone krople, które trudno rozbić, w przeciwieństwie do emulsji luźnych posiadających duże, oddalone od siebie krople[3].

Emulsje rozcieńczone - zawartość fazy zdyspergowanej nie przekracza 1% objętości. Cząstki fazy rozproszonej przyjmują kształt kuli. Emulsje bardzo stężone - zawartość fazy zdyspergowanej przekracza 74% objętości. Faza rozproszona przybiera wtedy kształt nieregularnych wielościanów oddzielonych fazą ciągłą, a na granicy faz znajduje się monowarstwa emulgatora o grubości około 2 - 5 nm.

Charakterystyka emulsji[edytuj | edytuj kod]

Właściwości optyczne[edytuj | edytuj kod]

Na przezroczystość emulsji wpływ mają następujące czynniki:

  • właściwości składników fazy,
  • stosunek objętości faz (im większy tym emulsja mniej przezroczysta),
  • wielkość cząstek fazy rozproszonej.

Większość emulsji jest optycznie nieprzezroczysta, chociaż obie ich fazy składowe mogą być bezbarwne i przezroczyste. Nieprzezroczystość emulsji wynika z różnic w wartościach współczynnika załamania światła składników fazy ciągłej i dyspersyjnej, z czego wynika, że im większa różnica między wartościami współczynników tym emulsja jest mniej przezroczysta. Możliwe jest takie dobranie składników emulsji, aby była ona przezroczysta. Gdy oba składniki mają w przybliżeniu równe współczynniki załamania światła, a różnią się zdolnością rozpraszania wtedy można zaobserwować efekt Christiansena.
W emulsjach można zaobserwować również efekt Tyndalla, polegający na rozpraszaniu światła przez drobne cząstki zawieszone w ośrodku tzw. mętnym (kurz w powietrzu, mgła, mleko etc.). Dzięki występowaniu tego efektu powstała nefelometryczna metoda badania układów koloidalnych[4].

Właściwości elektryczne[edytuj | edytuj kod]

Na powierzchni kropelek emulsji znajduje się pewien ładunek powierzchniowy, który zasadniczo warunkuje stabilność emulsji. Liczba zaadsorbowanych jonów na powierzchni kropli jest proporcjonalna do jej powierzchni, co oznacza, że ze wzrostem wielkości kropel emulsji zmniejsza się odpychanie pomiędzy ładunkami powierzchniowymi. Dla kropel wielkości 500 nm i większych do zapewnienia stabilności emulsji wymagane jest użycie emulgatorów chroniących przed koalescencją.
Duży wpływ na ładunek cząstek fazy rozproszonej ma przenikalność dielektryczna faz składowych emulsji. Cząstki fazy rozproszonej ładują się dodatnio, gdy faza rozproszona ma wyższą przenikalność niż faza ciągła. W takim przypadku krople wody w emulsjach typu W/O posiadałyby ładunek dodatni, natomiast kropelki fazy olejowej w emulsjach O/W ładunek ujemny[4].

Otrzymywanie[edytuj | edytuj kod]

Do otrzymywania emulsji stosuje się głównie następujące metody[4]:

  • metody oparte na mechanicznym mieszaniu, wstrząsaniu, homogenizowaniu oraz stosowaniu ultradźwięków,
  • metoda odwróconych faz - dla emulsji o wysokim stężeniu faza zewnętrzna jest w postaci cienkich filmów, które w odpowiednich warunkach można rozbić, a kroplę fazy wewnętrznej ulegną koalescencji, tworząc fazę ciągłą,
  • metoda kondensacyjna,
  • emulsyfikacja elektryczna,
  • reakcje chemiczne, kombinacje z rozpuszczalnikami.

Najważniejszym i najczęściej stosowanym sposobem w przemyśle, jest otrzymywanie emulsji na drodze mieszania i wstrząsania. Jednym z czynników określających wydajność mechanicznego mieszania jest liczba Webera:

 We = \frac {\eta G r}{\gamma}

Gdzie:

η - lepkość,
G - gradient stężeń,
r - promień kropli,
γ - napięcie powierzchniowe.

Gdy We > 1 następuje zanikanie kropli.

Stabilność i procesy destabilizacji emulsji[edytuj | edytuj kod]

Emulsje, będące układami termodynamicznie niestabilnymi, wraz z czasem podlegają proces rozdzielania faz. Separacja faz jest końcowym efektem niestabilności emulsji, do której może zachodzić nawet latami, zależnie od mechanizmu destabilizacji. Wśród procesów destabilizacji emulsji wyróżniane są: śmietankowanie, flokulacja, sedymentacja, inwersja faz, koalescencja oraz oswaldowskie dojrzewanie emulsji.

Information icon.svg Osobny artykuł: Procesy starzenia emulsji

Przykłady[edytuj | edytuj kod]

Przykładem emulsji występujących w naturze są wszelkie produkty mleczne zawierające tłuszcz. Ale również majonezy, emulsje i kremy kosmetyczne oraz różnego rodzaju roztwory białek.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy

  1. Krzysztof Pigoń, Zdzisław Ruziewicz: Chemia fizyczna 1. Wyd. 6. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, styczeń 2007. ISBN 978-83-01-15054-9.
  2. Duncan J. Shaw: Introduction to colloid and surface chemistry. Oxford: Butterworth-Heinemann, 1992, s. 266. ISBN 0-7506-1182-0.
  3. Norman J. Hyne: Dictionary of petroleum exploration, drilling production. Tulsa, Okla.: PennWell Pub. Co., 1991, s. 168. ISBN 0-87814-352-1.
  4. 4,0 4,1 4,2 Tomasz Gwarda: Właściwości elektrokinetyczne granicy faz hydrofobowe ciało stałe/roztwór. Lublin: 2004, s. 13-17.