Агрегативная и седиментационнаяустойчивость золей.

В коллоидных системах различают два вида устойчи­вости — агрегативную и седиментационную. Дисперсная система считается седиментационно-устойчивой, если ее дисперсные частицы не оседают, т. е. находятся в стабильном седиментационном равновесии. Если размеры частиц дисперсной фазы постоянны, то коллоидная система бесконечно долго может сохранять седиментационную устойчивость. Но частицы дисперсной фазы склонны укрупняться путем их слияния или перекристаллизации. Укрупнение частиц в дисперсной сис­теме приводит к нарушению седиментационной устойчи­вости и выпадению осадка.

Агрегативная устойчивость — способность дисперсной системы сохранять неизменными размеры частиц дисперс­ной фазы.

Процесс слипания коллоидных частиц, образование более крупных агрегатов с последующей потерей колло­идной системой седиментационной устойчивости назы­вается коагуляцией.

Коагуляцию можно вызвать нагреванием, заморажи­ванием, центрифугированием, добавлением различных электролитов. Все эти воздействия, различные по своей природе, или уменьшают силы притяжения между кол­лоидными частицами, или увеличивают силы притяже­ния между ними. Так, при нагревании возрастает кине­тическая энергия коллоидных частиц, увеличивается их скорость движения и силы отталкивания уже не могут препятствовать агрегированию мицелл.

Прибавление электролитов приводит к снижению элек­трокинетического потенциала и уменьшению сил оттал­кивания. Коагуляция золей электролитами подчиняется определенным закономерностям, которые можно объеди­нить в следующие правила.

1. Все электролиты вызывают коагуляцию при опре­деленном значении концентрации. Минимальная концентрация электролита в растворе, вызывающая коагуляцию, называется порогом коагуляции.

2. Коагулирующим действием обладает тот ион электро­лита, который имеет одноименный заряд с зарядом противоионов мицеллы.

3. Большим коагулирующим действием обладают многозарядные ионы и ионы с большим радиусом.

4. При увеличении концентрации электролита в растворе уменьшается электрокинетический потенциал коллоидных частиц и коагуляция наступает при его определенном значении — критическом потенциале.

Различают два вида коагуляции золей электролитами — концентрационную и нейтрализационную коагуляцию.

Концентрационная коагуляция наблюдается при увеличении концентрации электролита, не вступающего в химическое взаимодействие с компонентами коллоидного раство­ра. Такие электролиты называются индифферентными. При увеличении концентрации индифферентного электролита диффузный слой противоионов мицеллы сжимается, переходя, а адсорбционный слой. В результате уменьшается электрокинетический потенциал, и он может стать равным нулю, такое состояние называется изоэлектрическим.

При нетрадиционной коагуляции ионы прибавляемого электролита нейтрализуют потенциалопределяющие ионы. Коагуляция часто происходит в природе, например, при смешивании речной воды с соленой морской при впа­дении реки в море частицы ила, глины и почвы коагули­руют, образуя в устье рек мели, острова.

Коагуляцию широко используют при очистке воды, поступающей в водопроводную сеть, для очистки сточ­ных вод, в сахарной промышленности при очистке сока сахарной свеклы от несахарных примесей

Вопросы для самопроверки:

1. Какими методами получают коллоидные системы?

2. Какими методами коллоидные растворы очища­ют от примесей электролитов?

3. Каково строение мицеллы, и какие ее части дви­жутся к электродам при

электрофорезе?

4. Что такое коагуляция, и какие факторы ее вы­зывают?

5. Какой ион электролита обладает коагулирующим действием, и как коагулиру-

ющая способность свя­зана с зарядом ионов?         

6. Как изменяются поверхностные и электрокине­тические потенциалы при концент-

       рационной и нейтрализационной коагуляции?

7. Какое состояние золя называется изоэлектрическим?

8. Каково практическое значение коагуляции?

9. От какого электролита надо освободить диали­зом золь гидролиза железа (III),

      полученного гид­ролизом его соли?

10. Напишите формулы мицелл:

       а) гидрозоля гидроксида железа (III), стаби­лизатором в котором служит               

     гидроксид натрия;

         б) гидрозоля диоксида кремния, стабилиза­тором в котором служит метакрем-

ниеваякислота;

         в) хлорида серебра, стабилизатором в кото­ром служит хлорид натрия.

11. Места впадения рек в море сильно заилены. По­чему такое заиливание не наблюда-

ется в местах стоков промышленных вод в реки?

Лекция № 14

Цель: Рассмотреть характеристики пищевых продуктов, относящихся к грубодисперсным системам, их значение в детском и диетическом питании; изучить методы получения эмульсий.

Продолжительность: 2 часа

План:

1. Общая характеристика.

2. Эмульсии.

Вопрос 1. Общая характеристика.

К микрогетерогенным и грубодисперсным системам относятся суспензии, эмульсии, аэрозоли, порошки. По сравнению с коллоидными ча­стицами в этих системах частицы дисперсной фазы имеют значительно большие размеры и они уже видны в оптический микроскоп. В микрогетерогенных и грубодисперсных системах не проявляются такие молекулярно-кинетические свойства, как броуновское движение, диффузия, осмотическое давление.

Вместе с тем у микрогетерогенных и грубоди­сперсных систем есть и общие признаки с коллоид­ными системами. Они гетерогенны, т. е. состоят из нескольких фаз с достаточно большой поверхностью раздела, а следовательно, и со значительным запа­сом поверхностной энергии. Поэтому, как и коллоид­ные системы, микрогетерогенные и грубодисперсные системы термодинамически неравновесные и у них существует тенденция к самопроизвольному умень­шению дисперсности путем агрегации частиц ди­сперсной фазы. Агрегативная устойчивость таких систем, за исключением систем с газовой дисперси­онной средой, также обусловлена стабилизатором, который адсорбируется на частицах дисперсной Микрогетерогенные и грубодисперсные системы очень распространены в природе и технике. Боль­шинство пищевых продуктов представляют собой микрогетерогенные или грубодисперсные системы.

Вопрос 2. Эмульсии.

Эмульсиями называются дисперсные системы, состоящие из жидкой дисперсной фазы и жидкой дисперси­онной среды.

Обязательным условием образования эмульсий является нерастворимость вещества ди­сперсной фазы в среде. Размер частиц дисперсной фазы эмульсий колеблется в пределах от 10^-5 до 10 ^-3 см, т. е. их можно отнести к микрогетероген­ным системам.

Обычно эмульсии получают методом механическо­го диспергирования, хотя в принципе возможно по­лучение их и методом конденсации. Для диспергиро­вания применяют мешалки, смесители, гомогенизато­ры, коллоидные мельницы. Диспергирование одной жидкости в другой происходит достаточно легко, по­этому для получения высокодисперсных эмульсий можно использовать ультразвук.

Жидкости, из которых получают эмульсии, нера­створимы друг в друге и, следовательно, сильно от­личаются по своим свойствам. Обычно одной из жид­костей является вода, а другой — какая-либо непо­лярная нерастворимая в воде жидкость, называемая маслом. Это может быть и масло, и бензол, хлоро­форм, керосин и т. п.

По полярности жидкости дисперсной фазы и дисперсионной среды все эмульсии можно разбить на два типа:

I) Эмульсии масла в воде (м/в), или эмуль­сии первого рода (прямые) и

2) Эмульсии воды в масле (в/м), или эмульсии второго рода (обрат­ные).

В зависимости от концентрации дисперсной фазы различают эмульсии разбавленные, концентри­рованные и высококонцентрированные.

К разбавлен­ным эмульсиям относятся эмульсии, содержащие не более 0,1 % (об) дисперсной фазы.

Концентрирован­ными считаются эмульсии с содержанием дисперсной фазы не более 74 %, в которых сохраняется сфери­ческая форма частиц.

Эмульсии с содержанием дис­персной фазы более 74 % (об) называются высоко­концентрированными. Капельки дисперсной фазы в этих эмульсиях настолько сближены, что дефор­мируют друг друга, приобретая форму многогранни­ков, разделенных тонкими пленками дисперсионной среды.

Эмульсии — седиментационно неустойчивые си­стемы. Если дисперсная фаза и дисперсионная среда отличаются по плотности, то возможна седиментация (или всплывание) капель дисперсной фазы, т. е. на­рушение однородности частичной концентрации.

Агрегативная неустойчивость эмульсий проявляется в самопроизвольном слиянии капель дисперсной фа­зы — коалесценции.Этот процесс может привести к разрушению эмульсии и разделению ее на два жидких слоя.

Разбавленные эмульсии, как правило, являются высокодисперсными системами, размер частиц кото­рых близок к коллоидным. Благодаря возможному образованию на поверхности капелек разбавленных эмульсией двойного ионного слоя и очень низкой частичной концентрации, такие эмульсии агрегативно устойчивы.

Концентрированные эмульсии могут быть устой­чивыми только при наличии третьего компонента — стабилизатора или эмульгатора. Роль эмульгатора в образовании устойчивой эмульсии двоякая. Во-пер­вых, он адсорбируется на границе раздела фаз (масло — вода) и снижает межфазное поверхностное натяжение, т. е. служит поверхностно-активным ве­ществом, и, во-вторых, концентрируясь на поверхности капелек дисперсной фазы, эмульгатор образует механически прочный слой (пленку). Наличие такой защитной пленки на поверхности частиц, дисперсной фазы препятствует их агрегированию, т. е. предохра­няет эмульсию от коалесценции. Природа эмульгатора определяет не только ус­тойчивость, но в тип эмульсии. Эмульгаторы, лучше растворимые в воде, способствуют образованию пря­мых эмульсий (м/в; эмульгаторы, лучше раствори­мые в неполярных жидкостях, дают обратные эмуль­сии (в/м). Эмульгатор должен быть подобен той жидкости, которая образует дисперсионную среду. Например, эмуль­сии типа м/в стабилизируются растворимыми в воде ВМС, например, белками или мылами. Эмульгаторами при по­лучении эмульсии в/м служат ВМС, нерастворимые в воде, но хорошо растворимые в органических растворителях (каучук, смолы), а также нерастворимые в воде мыла.

  Для эмульсии типа м/вэффективными эмульга­торами могут быть растворимые в воде мыла, т. е. натриевые и калиевые соли жирных кислот. Мыла, нерастворимые в воде (магниевые, кальциевые, алюминиевые), служат эмульгаторами эмульсии ти­па в/м. Эмульгирующее действие могут проявлять порошки. Порошки веществ, хорошо смачивающихся водой, например мела, гипса, глин, стабилизируют эмульсии типа м/в, гидрофобные порошки (сажа), стабилизируют эмульсии типа в/м.

Искусственное изменение природы эмульгатора, превращение его из растворимого в воде в раствори­мый в масле, может привести к изменению типа эмульсии.

Так, например, если к эмульсии типа м/в, стабилизованной натриевым мылом, прибавить рас­твор хлорида кальция, то образуется нерастворимое в воде кальциевое мыло и эмульсия м/в превратится в эмульсию в/м. Это явление получило название обращения фаз.

При промышленных ме­тодах получения концентри­рованных эмульсий, напри­мер, при сбивании сливочно­го масла или приготовлениимаргарина, образуются эмульсии смешанного типа, т. е. наряду с эмульсией м/в имеется и эмульсия в/м.

На практике часто требуется разрушить эмуль­сию и выделить ее составные части. В разбавленных эмульсиях, стабилизатором которых является элект­ролит и устойчивость определяется двойным ионным слоем, коалесценция может быть вызвана теми же методами, что и коагуляция коллоидных растворов.

Гораздо сложнее разрушить эмульсию, стабилизован­ную неионогенным эмульгатором.

В некоторых слу­чаях расслоение эмульсии можно вызвать нагрева­нием. При повышении температуры уменьшается адсорбция эмульгатора и тем самым снижается устойчивость эмульсии.

Используют также метод вы­теснения эмульгатора веществом, обладающим боль­шей адсорбционной способностью, но которое не может образовывать защитную пленку на поверхности капелек дисперсной фазы. К разрушению эмульсий приводит и механическое воздействие — сбивание, центрифугирование, фильтрование. Прибавление к эмульсии электролита, изменяющего природу эмульгатора, также может вызвать ее разрушение.

Особенно важной стала проблема разрушения эмульсии в связи с необходимостью тщательной очи­стки сточных вод.

К эмульсиям относится ряд важнейших жиросодержащих продуктов питания. Молоко, сливки, сли­вочное масло, сметана, майонез — все это эмульсин.

Жиры являются необходимой составной частью пи­щи, но так как они нерастворимы в воде, то они лучше усваиваются в эмульгированном состоянии.       

Если в пищу употребляются жидкие или твердые жиры (растительное масло, животный жир), то в ор­ганизме они сначала переводятся в эмульгированноесостояние под влиянием желчи и потом в такой же хорошо усваиваются. Усвоение жиров в организме осуществляется через их эмульгирование под влиянием желчи.

Распространенным пищевым продуктом является маргарин. Эмульгирование жира оказывает исключительное влияние на вкусовые свойства при производстве маргарина и, особенно при производстве мороженого.

Маргарин представляет собой в основном кон­центрированную эмульсию воды (молока) в предва­рительно рафинированном (очищенном от примесей) пищевом жире. В качестве эмульгаторов при произ­водстве маргарина применяют натуральные продук­ты — яичный желток, лецитин, или специальные пи­щевые эмульгаторы — моноглицериды жирных кис­лот, сахароглицериды.

Для повышения пищевой ценности хлебобулочных изделий и улучшения их вкуса в тесто вводят жиры. Внесение жира в тесто в виде тонкодисперс­ной эмульсии (м/в) заметно улучшает качество хле­ба. Жировые эмульсин применяют в хлебопечении и для смазывания форм. Млечный сок каучуконосных растений (латекс) также представляет эмульсию.

Многие мази и кремы, выпускаемые фармацевти­ческой и парфюмерной промышленностью, представ­ляют собой эмульсию.

Лекция № 15.

Тема: «Пены, порошки, суспензии, пасты, аэрозоли, дымы, туманы»

Цель: пен, стабилизаторов; проанализировать значение эмульсий при хранении овощей и фруктов, а также методов разрушения эмульсий, пен, аэрозолей для очистки сточ­ных вод и атмосферы.

Продолжительность: 2 часа.

План:

1. 1.Пены.
2. Порошки, суспензии, пасты.
3. Аэрозоли, дымы, туманы.

Вопрос 1. Пены.

Пенами называются грубые высоко концентрирован­ные дисперсные системы, в которых дисперсная фа­за — газ, а дисперсионная среда — жидкость.

Пу­зырьки газа в пенах имеют большие размеры, фор­му многогранников и отделены друг от друга очень тонкими прослойками дисперсионной среды.

Пены характеризуются следующими показателями:

• пенистостью, т. е. отношением объема пены к объе­му жидкости в виде пленок;
• дисперсностью (средним размером пузырьков и сред­ней толщиной жидкостных пленок);
• устойчивостью (определяется временем существова­ния пен).

Мера устойчивости определяется време­нем ее жизни, т. е. от момента образования до самопроизвольного разрушения.

Для получения пен применяют обычно диспергационные методы: интенсивное встряхивание или перемешивание жидкости, продавливание (барботирование) газа
разрыхлителей - примеры конденсационного метода получения пен устойчивую пену можно получить только с использованием стабилизатора пенообразователя. Чистые жидкости не обладают способностью образо­вывать устойчивую пену. Наличие пены всегда сви­детельствует о присутствии в жидкости посторонних веществ (загрязнений).

Устойчивость пены зависит от природы пенообра­зователя, его концентрации и температуры. Пенооб­разователями могут быть поверхностно-активные ве­щества, молекулы которых имеют достаточно длин­ную углеводородную цепь. К типичным пенообразо­вателям водных пен относятся спирты, мыла, белки, сапонин (экстрагируемое из растений соединение, обладающее поверхностно-активными свойствами), Низкомолекулярные поверхностно-активные вещест­ва, уменьшая поверхностное натяжение, облегчают образование пены, но не придают ей стабильности, и она быстро разрушается. Пенообразующие веще­ства с длинной молекулярной цепью, адсорбируясь на границе вода — воздух, формируют высоковязкую структурированную пленку, препятствующую истече­нию жидкости из прослоек дисперсионной среды. В этом случае толщина слоя жидкости, между пузырьками воздуха уменьшается медленнои пена может существовать длительное время.

С повышением температуры устойчивость пены уменьшается, так как при этом снижается адсорбция пенообразователя на границе фаз и уменьшается вязкость жидкости.

Пены и пенообразование имеют важное практиче­ское значение. Действие мыла и других моющих средств при удалении загрязнений с любой поверх­ности связано с ценообразованием. Очень важная область использования пен — тушение пожаров. Противопожарная пена обычно содержит в виде дисперс­ной фазы диоксид углерода, такая пена имеет невысокую плотность, что позволяет применять ее для тушения горящих органических жидкостей. При ту­шении она покрывает поверхность и препятствует доступ к ней воздуха.

Пенообразные системы очень распространены в пищевой промышленности. Такие продукты, какхлеб и ряд кондитерских изделий, имеют структуру пены, и это определяет не только их вкусовые свой­ства, но и пищевую ценность. Для приготовления вспенненых кондитерских изделий (пастила, зефир, суфле) в качестве пенообразователя применяют бе­лок, иногда экстракт чая, метилцеллюлозу.

Для повышения стойкости пищевых пен в них вводят стабилизаторы — вещества, повышающие вяз­кость дисперсионной среды (агар, агароид, крах­мал). Увеличение вязкости жидкости в пленках пены уменьшает скорость ее «стекания» и соответственно повышает стойкость пены.

В сточных водах различных промышленных пред­приятий обычно содержатся поверхностно-активные вещества. Для очистки таких вод используют специ­альные установки, в которых вода, падая с высоты, образует пену. Пузырьки пены захватывают нефть, масла и другие загрязняющие воду вещества и вы­носят их на поверхность. Пену вместе с загрязняю­щими веществами уже легко удалить с поверхности.

Вместе с тем в ряде производств образование пе­ны нежелательно. Она мешает перемешиванию и выпариванию жидкостей. Особенно вредны пены, обра­зующиеся в сточных водах, которые содержат пено­образователи. Эти пены покрывают слоем поверхность водоемов и, прекращая доступ кислорода в воду, вызывают гибель всех живых организмов. Пену можно разрушить введением в нее веществ, которые, обладая высокой поверхностной актив­ностью, сами не дают стойкой пены. Они вытесняют пенообразователь с границы раздела фаз,разрушая тем самым структурированную пленку. Такие веще­ства получили название пеногасителей. Обычно ими являются спирты (пентиловый, октиловый), жирные кислоты, сложные эфиры, Пены можно разрушить и механическим путем.