ГАПОУ ЛО “Выборгский политехнический колледж “Александровский”

Комплект заданий для самостоятельной работы

по дисциплине “Физическая и коллоидная химия”

Тема: “Дисперсные системы”

                                                                                  Преподаватель: Дурандина С.И.

2021 г.

Эмульсии

Эму́льсия (новолат. emulsio; от лат. emulgeo — дою, выдаиваю) — дисперсная система, состоящая из микроскопических капель жидкости (дисперсной фазы), распределенных в другой жидкости (дисперсионной среде).

Эмульсии могут быть образованы двумя любыми несмешивающимися жидкостями; в большинстве случаев одной из фаз эмульсий является вода, а другой - вещество, состоящее из слабополярных молекул (например, жидкие углеводороды, жиры). Например, молоко — одна из первых изученных эмульсий: в нём капли молочного жира распределены в водной среде.

Эмульсии относятся обычно к грубодисперсным системам, поскольку капельки дисперсной фазы имеют размеры от 1 до 50 мкм. Эмульсии низкой концентрации — неструктурированные жидкости. Высококонцентрированные эмульсии — структурированные системы.

Основные типы эмульсий

Тип эмульсии зависит от состава и соотношения ее жидких фаз, от количества и химической природы эмульгатора, от способа эмульгирования и некоторых других факторов. Эмульсии являются обычно грубодисперсными системами. Такие системы часто встречаются в природе, например, молоко, млечный сок каучуконосных растений. В первом случае жир, а во втором - углеводород каучука диспергированы в воде. Оба эти вещества почти совершенно не растворяются в дисперсионной среде, т.е. в воде. Таким образом, эмульсии - это микрогетерогенные системы, состоящие из двух практически взаимно-нерастворимых жидкостей, которые очень сильно отличаются от друг-друга по характеру молекул. Если одна из жидкостей является полярной, например вода, то вторая - должна быть неполярной или малополярной, например, органическая жидкость.

Малополярные органические жидкости - бензол, бензин, керосин, анилин, масло и др.,- независимо от их химической природы, называют маслом.

На практике чаще всего встречаются водные эмульсии, т.е. эмульсии в которых одной из двух жидкостей является вода. Такие эмульсии подразделяются на два типа: масло в воде (сокращенно - м/в) и вода в масле (в/м). В эмульсиях первого типа (прямых) масло является дисперсионной фазой, а вода - дисперсионной средой. В эмульсиях второго типа (обратных) вода является раздробленной в виде капелек дисперсной фазой, а масло - дисперсионной средой.

• Прямые, с каплями неполярной жидкости в полярной среде (типа «масло в воде»)

Для эмульсий типа м/в хорошими эмульгаторами могут служить растворимые в воде мыла (натриевые и калиевые соли жирных кислот). Молекулы этих соединений, адсорбируясь на поверхности раздела фаз, не только снижают поверхностное натяжение на ней, но благодаря закономерной ориентации в поверхностном слое создают в нем пленку, обладающую механической прочностью и защищающей эмульсию от разрушения.

• Обратные, или инвертные (типа «вода в масле»)

Для эмульсии типа в/м хорошими эмульгаторами могут быть нерастворимые в воде мыла (кальциевые, магниевые и алюминиевые соли жирных кислот).

Изменение состава эмульсий или внешнее воздействие могут привести к превращению прямой эмульсии в обратную или наоборот.

Так же эмульсии разделяются на лиофильные и лиофобные:

• Лиофильные эмульсии образуются самопроизвольно и термодинамически устойчивы. К ним относятся т. н. критические эмульсии, образующиеся вблизи критической температуры смешения двух жидких фаз, а также некоторые смазочно-охлаждающие жидкости.
• Лиофобные эмульсии возникают при механическом, акустическом или электрическом эмульгировании (диспергировании), а также вследствие конденсационного образования капель дисперсной фазы в пересыщенных растворах или расплавах. Они термодинамически неустойчивы и длительно существуют лишь в присутствии эмульгаторов — веществ, облегчающих диспергирование и препятствующих коалесценции (слипанию). Эффективные эмульгаторы — мицеллообразующие ПАВ, растворимые высокомолекулярные вещества, некоторые высокодисперсные твёрдые тела.

Получение эмульсий

Получение эмульсии: A. две несмешивающиеся жидкости; В. диспергирование фазы II, образование нестабильной эмульсии; C. коагуляция частиц фазы II, разделение фаз неустойчивой эмульсии; D. добавление поверхностно-активного вещества (фиолетовый контур вокруг частиц), стабилизация эмульсии

Эмульсии образуются двумя путями:

• путём дробления капель.

Этот метод осуществляется путём медленного прибавления диспергируемого вещества в дисперсную систему в присутствии эмульгатора при непрерывном и сильном перемешивании. Главными факторами, от которых зависит степень дисперсности частиц получаемой эмульсии и её устойчивость, является скорость перемешивания, скорость введения диспергируемого вещества, его количество, природаэмульгатора и его концентрация, температура и pH среды.

• путём образования плёнок и их разрыва на мелкие капли.

Механизм образования состоит в следующем. Жидкость, образующая дисперсную фазу (например, масло), при медленном прибавлении к дисперсионной среде образует плёнку. Эта плёнка разрывается пузырьками воздуха, выходящими из отверстия трубки, которые находятся на дне сосуда. Образуются мелкие единичные капли. Одновременно пузырьки воздуха энергично размешивают всю жидкость и этим самым способствуют дальнейшему эмульгированию. В настоящее время для получения концентрированной эмульсии масла с водой её подвергают действию ультразвука.

Разрушение эмульсий

Эмульсии со временем самопроизвольно разрушаются. На практике иногда возникает необходимость ускорить процесс разрушения эмульсий (в случаях когда наличие эмульсии затрудняет дальнейшую обработку или применение материала). Ускорить процесс разрушения эмульсии можно различными способами:

• Химическое разрушение защитных пленок эмульгатора соответствующим реагентом. Основой метода химического расщепления является нейтрализация отрицательного заряда . На этом принципе основано действие органических деэмульгаторов.
• Прибавление эмульгатора, способного вызвать обращение фаз эмульсии и снижающего этим прочность защитной пленки (стабилизированная натриевым мылом эмульсия типа в/м - при введении солей кальция - будет находится в менее стойком состоянии);
• Адсорбционное замещение эмульгатора более поверхностно-активным веществом, не обладающим способностью образовывать достаточно прочные пленки;
• Термическое разрушение (Расслоение эмульсий нагреванием);
• Механическое воздействие (Отделение сливок от обрата с помощью сепаратора);
• Действие электрического тока или электролитов (Разрушение эмульсий, стабилизированных электрическим зарядом частиц - эмульсии типа вода/ нефть).

Применение эмульсий

Эмульсии широко используют в различных отраслях промышленности: Пищевая промышленность (сливочное масло, маргарин); Мыловарение; Переработка натурального каучука; Строительная промышленность (битумные материалы, пропиточные композиции), Автомобильная промышленность (получение смазочно-охлаждающих жидкостей), Сельское хозяйство (пестицидные препараты); Медицина (производство лекарственных и косметических средств); Живопись.

Контрольные вопросы.

1. Дайте определение эмульсии.
2. Заполните таблицу:

3. Составьте схему, отражающую способы получения эмульсий и их характеристику

4. Разрушение эмульсий

5. Применение эмульсий в пищевой промышленности (необходим развернутый ответ.)

Пена

Пе́на — дисперсная система с газовой дисперсной фазой и жидкой или твёрдой дисперсионной средой.

Свойства пен

Пены по своей природе близки к концентрированным эмульсиям, но дисперсной фазой в них является газ, а не жидкость. Пены получают из растворов поверхностно-активных веществ. Для повышения их устойчивости в растворы ПАВ добавляют высокомолекулярные вещества, повышающие вязкость растворов. В качестве характеристик пены используется комплекс свойств, всесторонне характеризующих пену.

• Пенообразующая способность раствора — количество пены, выражаемое её объёмом (см³) или высотой столба (м), которое образуется из заданного постоянного объема пенообразующего раствора при соблюдении некоторых стандартных условий пенообразования в течение постоянного времени.
• Кратность пены, которая представляет собой отношение объёма пены к объёму раствора, пошедшего на её образование.
• Стабильность (устойчивость) пены — её способность сохранять общий объем, дисперсность и препятствовать вытеканию жидкости (синерезису). Часто в качестве меры стабильности используют время существования («жизни») выделенного элемента пены (отдельного пузырька или пленки) или определённого объёма пены.
• Дисперсность пены, которая может быть охарактеризована средним размером пузырьков, распределением их по размерам или поверхностью раздела «раствор-газ» в единице объёма пены.

Пенообразование и разрушение пен

Пены, в отличие от других дисперсных систем, состав которых определяется концентрацией дисперсной фазы, характеризуются содержанием дисперсионной среды.

Пены являются крайне неустойчивыми дисперсными системами, так как плотность жидкости в сотни и даже тысячи раз превышает плотность газа, из которого формируются пузырьки пены. Пены считаются грубодисперсными системами: в момент пенообразования невооружённым глазом видны пузырьки пены. Масса и объём газовой дисперсной фазы непостоянны и быстро изменяются, размеры пузырьков сильно разнятся, поэтому пены можно считать полидисперсными системами. Пены являются типичными лиофобными дисперсными системами.

Пены как дисперсные системы имеют свои особенности, которые определяются свойствами дисперсной фазы, дисперсионной среды и границы раздела фаз между ними, такими как: изменение энергии Гиббса, межфазное поверхностное натяжение, форма пузырьков (сферическая, полиэдрическая).

Пены термодинамически неустойчивы, так как в них протекают процессы, ведущие к изменению строения и разрушению пен. К таким процессам относят:

• утоньшение плёнок и их последующий разрыв; в результате увеличивается средний размер ячеек при разрыве плёнок в объёме пены или уменьшается высота столба (слоя) пены, если разрываются плёнки, отделяющие поверхностные ячейки пены от внешней газовой среды; дисперсность пены падает.
• Диффузионный перенос газа из малых ячеек в более крупные (в полидисперсной пене) или из поверхностных ячеек во внешнюю среду; это приводит к исчезновению поверхностных ячеек и уменьшению высоты столба (слоя) пены.
• Отекание дисперсионной среды под действием силы тяжести (синерезис) в высокостабильных пенах, приводящее к возникновению гидростатически равновесного состояния, в котором кратность слоя пены тем больше, чем выше он расположен; в низкократных пенах синерезис ведёт к возникновению под пеной слоя жидкости.

Структура пен

Для пен, особенно высокократных, характерна ячеистая пленочно-каналовая структура, в которой заполненные газом ячейки разделены тонкими плёнками. Три плёнки, расположенные под углом 120°, сливаются в канал, четыре канала с углом между ними около 109° образуют узел. Наиболее типичной формой ячейки в монодисперсной пене является пентагональный додекаэдр (двенадцатигранник с пятиугольными гранями), часто с 1-3 дополнительными гранями; среднее число плёнок, окружающих ячейку, обычно близко к 14. В низкократной пене форма ячеек близка к сферической и размер плёнок мал.

Твёрдые пены

Системы с твёрдой дисперсионной средой и газовой дисперсной фазой — Г/Т часто называют твёрдыми пенами. Твёрдые пены, так же как и жидкие пены, вследствие большого размера пузырьков газовой фазы обычно относят к микрогетерогенным или даже грубодисперсным системам.

Примером природной твердой пены может служить пемза — пористая, губчато-ноздреватая очень лёгкая горная порода вулканического происхождения, применяемая как абразив для полировки и шлифования, а также в строительном деле для изготовления пемзобетона. Из искусственных твёрдых пен можно указать пеностёкла и пенобетоны, широко применяемые в качестве строительных и изоляционных материалов. Достоинствами этих материалов являются малая плотность, малая теплопроводность и довольно большая прочность, обусловленная их ячеистой структурой и прочностью дисперсионной среды. Сюда же надо отнести искусственные губчатые материалы, изготовленные на основе полимеров (микропористая резина, различные пенопласты).

Применение. В ряде случаев практического применения пен важны такие их свойства, как вязкость, теплопроводность, электропроводность, оптические свойства и т. д. Пены находят широкое применение во многих отраслях промышленности и в быту:

• В быту: пенные моющие средства для ванн, чистки ковров и мебели.
• В пожаротушении: при возгорании ёмкостей с легко воспламеняющимися жидкостями, при тушении пожаров в закрытых помещениях — в подвалах, на судах и в самолётах.
• В строительстве: устройство кровли, гидроизоляция и утепление фундаментов, звукоизоляция стен.
• В горнорудной промышленности: использование пенной флотации для обогащения полезных ископаемых; предотвращение промерзания полигонов для добычи полезных ископаемых открытым способом в условиях Крайнего Севера; изготовление взрывоустойчивых и изолирующих перемычек в шахтах и рудниках.
• В отделке текстильных материалов.
• В кулинарии: кондитерские пены, муссы, торты, бисквиты и др.
• В сфере развлечений: пенные вечеринки, дискотеки, шоу.

Пены с твёрдыми тонкими стенками (аэрогели, пенопласты) широко используются для изготовления тепло- и звукоизолирующих материалов, спасательных средств, упаковки и др.

Контрольные вопросы

1. Определение пены.
2. Характеристика пен.
3. Охарактеризуйте структуру пен.
4. Охарактеризуйте устойчивость пен. Какие процессы приводят к разрушению пены?
5. Что такое твердые пены? Приведите примеры веществ. Как они образуются?
6. Применение пен в кулинарии (развернутый ответ).

Аэрозоль

Аэрозо́ль — дисперсная система, состоящая из взвешенных в газовой среде (дисперсионной среде), обычно в воздухе, мелких частиц (дисперсной фазы). Аэрозоли, дисперсная фаза которых состоит из капелек жидкости, называются туманами, а в случае твёрдых частиц, если они не выпадают в осадок, говорят о дымах (свободнодисперсных аэрозолях), либо о пыли (грубодисперсной аэрозоли).

Размеры частиц в аэрозолях изменяются от нескольких миллиметров до 10−7 мм.

Аэрозоли образуются при механическом измельчении и распылении твёрдых тел или жидкостей: при дроблении, истирании, взрывах, горении, распылении в пульверизаторах.

Классификация

В зависимости от природы аэрозоли подразделяют на естественные и искусственные. Естественные аэрозоли образуются вследствие природных сил, например при вулканических извержениях, сочетании эрозии почвы с ветром, явлениях в атмосфере. Искусственные аэрозоли образуются в результате хозяйственной деятельности человека. Важное место среди них занимают промышленные аэрозоли. Примером промышленного аэрозоля может служить газовый баллончик.

Свойства

Особенностями аэрозолей являются малая вязкость газовой дисперсионной среды и большой пробег молекул газа по сравнению с размером частиц. Поэтому несмотря на сравнительно большой размер частиц в аэрозолях происходит интенсивноеброуновское движение. Частицы аэрозолей заряжены вследствие захвата ионов, которые всегда имеются в газе. Ввиду разряженности газовой среды на частицах аэрозолей не возникает двойного электрического слоя. По этой же причине, в отличие от коллоидных систем, заряд у частиц может быть неодинаковым по величине и даже разным по знаку. Вследствие интенсивного броуновского движения и отсутствия факторов стабилизации аэрозоли агрегатно неустойчивы. Частицы объединяются в крупные агрегаты, быстро оседающие в газовой среде.

Различают двухфазные и трёхфазные аэрозоли. В первых газовая фаза состоит из паров выталкивающего газа и паров лекарственных веществ — концентрата. Величина распыляемых капель зависит от соотношения пропеллента и концентрата: чем меньше концентрата, тем мельче капельки (5-10 мкм). Трёхфазные аэрозоли образуются в том случае, если раствор концентрата не смешивается с жидким пропеллентом.

Контрольные  вопросы

1. Определение аэрозолей.

3. Составьте  2 схемы классификации аэрозолей  (в зависимости от природы их образования и по количеству фаз), приведите примеры.
4. Как образуются аэрозоли?
5. Охарактеризуйте свойства аэрозолей. Являются ли они агрегативно устойчивыми и почему?
6. Аэрозоли в пищевой промышленности.

   ---

Суспензии

Суспензии - это дисперсные системы, в которых дисперсной фазой являются частицы твердого вещества размером, более 10 -5 см., дисперсной средой – жидкость.

Формально суспензии от лиозолей (коллоидных растворов) отличаются только размерами частиц дисперсной фазы. Размеры твердых частиц в суспензиях (более 10-5 см.) могут быть на несколько порядков больше, в лиозолях (10-7 -10-5 см). Это количественное различие обусловливает чрезвычайно важную особенность суспензий: в большинстве суспензий частички твердой фазы не участвуют в броуновском движении. Поэтому свойства суспензий существенно отличаются от свойств коллоидных растворов; их рассматривают как самостоятельный вид дисперсных систем.

Суспензии классифицируются по нескольким признакам:

1. По природе дисперсионной среды: органосуспензии (дисперсионная среда - органическая жидкость) и водные суспензии.

2. По размерам частиц дисперсной фазы: грубые суспензии (d > 10-2 см), тонкие суспензии (-5×10-5 < d < 10-2 см), мути (1×10-5 < d < 5×10-5 см).

3. По концентрации частиц дисперсной фазы: разбавленные суспензии (взвеси) и концентрированные суспензии (пасты).

В разбавленных суспензиях частицы свободно перемещаются в жидкости, сцепление между частицами отсутствует и каждая частица кинетически независима. Разбавленные суспензии - это свободнодисперсные бесструктурные системы. В концентрированных суспензиях (пастах) между частицами действуют силы, приводящие к образованию определенной структуры (пространственной сетки). Таким образом, концентрированные суспензии - это связнодисперсные структурированные системы.

Суспензии, так же как и любую другую дисперсную систему, можно получить двумя группами методов: со стороны грубодисперсных систем - диспергационными методами, со стороны истинных растворов - конденсационными методами.

Наиболее простым и широко распространенным как в промышленности, и в быту методом получения разбавленных суспензий является взбалтывание соответствующего порошка в подходящей жидкости с использованием различных не перемешивающих устройств (мешалок, миксеров и т. д.). Для получения концентрированных суспензий (паст) соответствующие порошки растирают с небольшим количеством жидкости.

Дисперсность образующихся суспензий можно регулировать также введением ПАВ.

Суспензии очищают от примесей растворенных веществ диализом, электродиализом, фильтрованием, центрифугированием.

Суспензии образуются также в результате коагуляции лиозолей. Следовательно, способы осуществления коагуляции - это одновременно и методы получения суспензий. Отсутствие структуры в разбавленных суспензиях и наличие ее в концентрированных обусловливает резкое различие в свойствах этих систем.

Молекулярно-кинетические свойства суспензий отличаются в зависимости от размеров частиц суспензий. Для частиц 10-4 – 10-5 см наблюдается седиментационно-диффузионное равновесие.

Для частиц 10-4 – 10-2 броуновское движение практически отсутствует и для них характерна быстрая седиментаци), т.е. для них применим седиментационный анализ.

Седиментационная устойчивость суспензии - это способность её сохранять неизменным во времени распределение частиц по объему системы, т. е. способность системы противостоять действию силы тяжести.

Так как большинство суспензий оказываются полидисперсными системами, содержащими и относительно крупные частицы, то они являются седиментационно (кинетически) неустойчивыми системами.

Агрегативная устойчивость суспензии - это способность сохранять неизменной во времени степень дисперсности т. е. размеры частиц и их индивидуальность.

При нарушении агрегативной устойчивости суспензии происходит коагуляция - слипание частиц дисперсной фазы.

Для достижения агрегативной устойчивости суспензии необходимо выполнение, по крайней мере, одного из двух условий:

· смачиваемость поверхности частиц дисперсной фазы дисперсионной средой;

· наличие стабилизатора.

Стабилизатор - это вещество, добавление которого в дисперсную систему повышает ее агрегативную устойчивость, т. е. препятствует слипанию частиц. В качестве стабилизаторов суспензий применяют:

· низкомолекулярные электролиты;

· коллоидные ПАВ;

· ВМС.

В пищевой промышленности для этих целей используются липоиды (лецитин), ланолин и т.д.

Механические методы разрушения суспензий основаны на отделении вещества дисперсной фазы от дисперсионной среды. Для этого используют различные устройства: отстойники, фильтры центрифуги. Они используются на завершающей стадии разрушения, когда агрегативная устойчивость суспензий уже минимальна или отсутствует.

Термические методы разрушения суспензий основаны на изменении температуры суспензии. Осуществляются 2-мя способами:

1) Замораживание с последующим оттаиванием

2) Высушивание (т.е. концентрирование).

Они требуют больших энергозатрат и в промышленности не используются.

Химические методы разрушения суспензий основаны на использовании химических реагентов. Поэтому часто их часто называют реагентными.

Электрические методы разрушения суспензий используются в тех случаях, когда частицы в суспензиях имеют заряд, т. е. стабилизированы ионогенными веществами. В разрушаемой суспензии создается разность потенциалов, приводящая к направленному движению заряженных частиц и осаждению их на соответствующем электроде. Эти методы требуют больших энергетических затрат и специального оборудования и обычно не используются для разрушения больших объёмов суспензий.

Свойства суспензии, а также рассматриваемых порошков в значительной степени определяются размерами частиц дисперсной фазы. Дисперсионный анализ – это совокупность методов измерения размеров частиц.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение суспензии
2. Составьте  3 схемы классификации суспензий по различным признакам.
3. В чем отличие паст от взвесей?
4. Как можно получить суспензии?
5. Что такое седиментационная устойчивость суспензии и чем она характеризуется?
6. Что такое агрегативная устойчивость и чем она характеризуется? Условия ее достижения.
7. В каких суспензиях частички твердой фазы не участвуют в броуновском движении?
8. Что такое стабилизатор? Какие стабилизаторы применяются в пищевой промышленности?
9. Методы разрушения суспензий и их краткая характеристика.
10. Суспензии в пищевой промышленности.

1. Характеристика дисперсных систем

Раздел 8.1.1.Классификация дисперсных систем

2. Подготовьте презентации по темам:

• Адсорбция и поверхностные явления
• Неньютоновские жидкости
• Студни и гели
• Грубодисперсные системы
• Микрогетерогенные системы
• Дисперсные системы
• Определение содержания белков в продуктах питания.
• Химический состав продуктов питания
• Определение содержания углеводов в продуктах питания.
• Пенообразование в кондитерском производстве и при приготовлении сладких блюд
• Эмульсии и их применение в пищевой промышленности
• Суспензии и их применение в пищевой промышленности