Основные вопросы:
1. Общая характеристика грубодисперсных систем, классификация.
2. Эмульсии, их классификация. Стабилизация эмульсий. Обращение фаз эмульсий. Разрушение эмульсий, их применение.
3. Суспензии, их классификация, стабилизация, применение в пищевой промышленности.
4. Пены: получение, стабилизация, разрушение, применение в пищевой промышленности.
5. Аэрозоли: получение, свойства аэрозолей и способы их разрушения.
Грубодисперсные системы – это дисперсные системы, в которых размер частиц дисперсной фазы составляет 10-2– 10–5см, а размер частиц дисперсионной среды составляет 10-8см.
В зависимости от агрегатного состояния фазы и среды их классифицируют на суспензии (тв/ж), эмульсии (ж/ж), аэрозоли (тв/г, ж/г) и др.
Частицы дисперсной фазы в грубодисперсных системах имеют большой размер (видны даже в микроскопе), поэтому данные системы резко отличаются по молекулярно-кинетическим и оптическим свойствам от коллоидных растворов. Увеличение степени дисперсности частиц приводит к резкому уменьшению интенсивности броуновского движения и, следовательно, значительному уменьшению скорости диффузии, а также увеличению скорости седиментации. В некоторых системах, например, в суспензиях, броуновское движение, диффузия и осмос практически не наблюдаются, зато им характерна седиментация. При прохождении света через эти системы возникает не опалесценция, а только мутность, поскольку световые лучи в основном преломляются и отражаются, а не рассеиваются.
Грубодисперсные системы это образования частицами больших размеров и потому кинетически неустойчивы. В гравитационном поле Земли они довольно быстро разрушаются.
Однако, несмотря на свою неустойчивость, грубодисперсные системы используют в промышленности и сельском хозяйстве.
Общая характеристика грубодисперсных систем:
- гетерогенные (микрогетерогенные);
-термодинамическинеустойчивые (расслоение, седиментация);
- частицы дисперсной фазы наблюдают в микроскоп или невооружённым глазом;
- отделение дисперсной фазы от дисперсионной среды – фильтрованием через бумажный (стеклянный) фильтры, центрифугированием;
- наличие стабилизатора – обязательно.
К грубодисперсным системам относят: эмульсии, суспензии, пены, пасты, порошки, аэрозоли.
Грубодисперсными аэрозольными системами являются дым, смог (частицы твердых веществ в газовой среде), облака (мельчайшие капельки воды в газовой среде).
Более известны и применимы дисперсные системы, в которых средой выступает вода. Примером такой системы является строительная побелка.
Растворимость карбоната кальция (мела) очень мала (6,2х х 10-4 г/100 г Н20). Попробуем приготовить из этого вещества и воды дисперсную систему. Как можно более тщательно разотрем мел в ступке, перенесем в стакан с водой и перемешаем. Получим мутную жидкость — дисперсную систему, называемую суспензией. Однако пройдет немного времени, и мел осядет на дно стакана, жидкость станет прозрачной. Под действием силы тяжести частицы твердого вещества оседают — седиментируют. Это доказательство того, что наша система получилась грубодисперсной. Получить дисперсную систему карбонат кальция—вода можно химическим способом: пропуская углекислый газ через известковую воду (раствор гидроксида кальция). При этом раствор мутнеет. Полученная система также грубодисперсная, через непродолжительное время в результате осаждения карбоната кальция она расслоится.
! Грубодисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой называют суспензиями.
Суспензиями являются многие краски, строительные растворы (побелка, цементный раствор, бетон). Особую группу составляют грубодисперсные системы, в которых концентрация дисперсной фазы относительно велика. Примерами таких систем могут служить пасты (в том числе зубная), кремы, мази.
Суспензии, в которых седиментация (оседание) идет очень медленно из-за малой разности плотностей дисперсионной среды и дисперсной фазы, называют взвесями. Вода из грязной лужи, сколько ее не отстаивай, всегда остается мутноватой; в ней во взвешенном состоянии находятся мельчайшие частицы пыли.
Грубодисперсную систему можно получить из двух несмешивающихся друг с другом жидкостей. Если несколько капель растительного масла энергично взболтать в пробирке с несколькими миллилитрами воды, образуется мутная дисперсная система — эмульсия. Со временем она расслоится, поскольку представляет собой грубодисперсную систему.
Примерами эмульсий могут служить некоторые смазочно-охлаждающие жидкости, пестицидные препараты, лекарственные и косметические средства. Например, в медицинской практике применяют жировые эмульсии для энергетического обеспечения голодающего или ослабленного организма путем внутривенного вливания. Типичные биологические эмульсии — это капельки жира в лимфе, кровь.
- Порошки – это сильно измельчённые твердые тела, дисперсионно сыпучий материал.
Порошок какао содержит незначительное количество экстрактивных веществ, растворимых в воде. Он не образует настоя, а образует суспензию, устойчивость которой зависит от размеров частиц какао. Для получения устойчивой суспензии (отсутствие выпадения осадка в течение 10мин.) необходимо, чтобы частицы порошка имели диаметр не больше 10мкм.
Суспензия какао-вода имеет невысокую агрегативную устойчивость: частицы какао хорошо смачиваются водой (гидрофильные), поэтому на поверхности имеют гидратные оболочки, обеспечивающие устойчивость какао. Для получения более устойчивой суспензии высшие сорта какао обрабатывают щёлочью. При этом образуются соли жирных кислот (стабилизаторы), имеющие дифильное строение, и они своими гидрофильными частями адсорбируются на гидрофильной поверхности частиц какао.
- Суспензии – это микрогетерогенные системы, представляющие собой смеси твердых частиц в жидкостях (протертые супы, какао, нерастворимый кофе), размер частиц дисперсной фазы ‑ 10-6– 10-4 м. Суспензии с размерами частиц 10-4 м ‑ взвеси.
Суспензии ‑ агрегативно и кинетически неустойчивы (низкая степень дисперсности) –крупные частицы дисперсной фазы в течение очень короткого времени выпадают в осадок. Суспензии – полидисперсные системы, частицы осаждаются неравномерно. В суспензиях слабо проявляется броуновское движение, практически отсутствует диффузия и осмотическое давление.
Практическое значение суспензий:
- Глинистые, цементные, известковые растворы, масляные краски, цветные лаки – в строительстве.
- Фунгициды и инсектициды – в сельском хозяйстве.
- Синтомицин, стрептоцид, новоцилин, камфара, фенилсалицилат, ментол, сера, оксид цинка – в медицинской практике.
- Плодово-ягодный сок, пивное сусло – полидисперсные суспензии, состоящие из растворимых экстрактивных веществ, твердых зависших частиц разной степени дисперсности.
- Соусы изготовлены на основе муки, в которых дисперсными фазами служат мука, жир и другие продукты.
- Томатная паста, завись специй в воде, нерастворимый кофе в воде, крахмал в холодной воде, паштет из печени, мясной бульон – суспензии в технологии приготовлении пищи.
Шоколад – затвердевшая суспензия, в которой дисперсной средой является масло какао, а дисперсной фазой – частицы сахара, семена бобов какао, крахмал. Шоколад относят к полидисперсным системам.
Дисперсность шоколадной массы – важная характеристика её качества. Нежность шоколадных изделий определяется степенью размалывания. В качественном шоколаде основная масса твердой фазы состоит из частиц размером не больше 10 – 16 мкм.
Стабилизатором суспензии может быть полимер. Защитный полимер на поверхности частиц суспензии образует прочные студнеобразные оболочки. Увеличение концентрации в суспензии полимера вызывает процесс застудневания. Если дисперсионной среды недостаточно, то образуются концентрированные суспензии – пасты.
Суспензии можно отфильтровать. Фильтрация через пористые мембраны сначала вызывает концентрирование суспензии, а потом её разделение на твердую и жидкую фазы. Повышение концентрации дисперсной фазы в агрегативно устойчивых суспензиях до предельно возможного значения обусловливает образование высококонцентрированных суспензий ‑ паст.
- Пасты ‑ высококонцентрированные суспензии, содержащие более 25% вещества дисперсной фазы. Агрегативно устойчивы в присутствии достаточного количества сильных стабилизаторов, когда частицы дисперсной фазы хорошо сольватированы и отделены тонкими плёнками жидкой дисперсионной среды. Отсутствие свободной жидкости придаёт системам большую вязкость и определённую механическую прочность.
Различают гомогенные и гетерогенные пасты.
Пасты получают диспергированием твердых тел в жидкостях. Для стабилизации добавляют поверхностно-активные вещества (ПАВ).
Различают жирные и нежирные пасты. Некоторые из них готовят на эмульсиях. Пасты широко используют в промышленности (лак, краски). Существуют полировочные пасты, а также лечебные (зубные пасты).
- Пены – высококонцентрированные дисперсные системы, или совокупность пузырьков газа, разделённых тонкими прослойками жидкости. Если дисперсионной средой является жидкость, такую систему называют жидкой пеной, если твердое тело – твердой пеной.
Дисперсионная среда (жидкая или твердая) образует между пузырьками газа тонкие прослойки. Газовые пузырьки взаимно сжимают друг друга, теряют правильную сферическую форму, а сама пена приобретает клеточную структуру.
Пены – термодинамически неустойчивы (имеют избыток поверхностной энергии). Устойчивость пен оценивают:
- временем разрушения столба пены на половину начальной высоты:
- по времени „жизни” пузырька газа.
Устойчивость пенам придают с помощью стабилизаторов (пенообразователей).
Для характеристики пены используют два показателя:
-газосодержание (газонаполнение) – доля объёма газа в общем объёме пены;
- удельная поверхность фазового контакта между газом и жидкостей в единице объёма жидкости.
Степень сбивания – отношение конечного объёма взбиваемой системы к начальному объёму.
Механизм образования пен: сначала пузырьки газа образуют эмульсию газ-жидкость, а потом, покрываясь двусторонними плёнками, всплывают на поверхность и образуют сетку-каркас. При всплытии пузырьки освобождаются от слабо связанной воды, происходит концентрирование эмульсии и превращение её в пену. Часть жидкой дисперсионной среды уменьшается до 2 – 13%. Поэтому, пены можно рассматривать как высококонцентрированные эмульсии газа в жидкости.
Методы получения пен:
- Диспергационные методы (жидкость взбалтывают в посуде, частично заполненной газом и частично жидкостью, или интенсивно перемешивают её). Используют барботирование: газ пропускают в жидкость через перфорированную перемычку (пенная флотация для обогащения ценных руд).
- Конденсационные методы ‑ в результате химической реакции в жидкости образуется газообразная фаза. Так, в огнетушителях используют химическую реакцию:
NaHCO3+ HCI → NaCI + H2O + CO2↑ ‑ вследствие этого газообразная фаза образует пену.
В случае нежелательного пенообразования используют способы пеногашения, так как основываются на разрушении адсорбционных слоёв, стабилизирующих пену. В качестве пеногасителей используют такие поверхностно-активные вещества: жиры, масла, эфиры, спирты, которые вытесняют стабилизаторы с поверхности раздела и этим уменьшают устойчивость пены.
Пенообразователи делят на два типа:
1. первого рода (слабые пенообразователи) – низкомолекулярные спирты и кислоты; они находятся в объёме раствора в молекулярном состоянии, не образуют на поверхности раздела фаз механически прочных структур, а лишь уменьшают величину поверхностного натяжения и тем самым снижают термодинамическую неустойчивость пен. Пены, содержащие такие стабилизаторы – неустойчивы и быстро разрушаются. Используются лишь в тех случаях, когда не нужна устойчивая пена (флотация).
2. второго рода – мыла, алкалоиды, танины, отдельные красители. Пены с такими стабилизаторами устойчивы, вследствие адсорбции пенообразователей на поверхности раздела фаз и образования прочных студнеобразных плёнок. С увеличением концентрации пенообразователя увеличивается устойчивость пен. В производстве кулинарной продукции для получения устойчивой пены при изготовлении кулинарных блюд и изделий в качестве пенообразователя используют яичный белок, кровяной альбумин, молочный белок и белки рыбы.
Практическое значение пен и процессов пенообразования:
- используют в процессах флотации, для интенсификации производственных процессов. В пенном режиме проводятся технологические процессы, связанные с массообменом (адсорбция газов жидкостями, удаление летучих компонентов и жидкой фазы);
- для гашения пожаров;
- при очистке поверхностей от загрязнений;
- в медицине – экстракорпоральное насыщение крови кислородом осуществляется в пенных аппаратах („искусственные лёгкие);
- в пищевой промышленности ‑ мусс, пастила, зефир, суфле (пищевые продукты – пены), пенообразование при изготовлении изделий из пресного теста (как разрыхлители используют карбонаты натрия, аммония, фосфат аммония);
- в хлебопекарной промышленности – дрожжи при изготовлении дрожжевого теста (пенообразование);
- пенообразование используют при приготовлении газонаполненных коктейлей, приготовлении кремов, муссов, суфле, сливок. Процесс сбивания, в ходе которого образуется пена, необходимая при производстве мороженого (фрезерование);
- некоторые лекарственные препараты используются в виде пенных аэрозолей и пенных препаратов для лечения ожогов, воспалений кожи, как кровоостанавливающее средство;
- в строительстве – пенопласты (получают путём введения в пластические массы карбоната натрия, карбамида, разлагающихся при 150 ‑ 180 С и выделяющих газообразные продукты: углекислый газ, азот, газообразную воду, и создающих микропористые структуры.