Эмульсии

Эмульсия — дисперсная система, в которой и дисперсионная среда, и дисперсная фаза являются жидкостями. Разрушаются эмульсии слиянием капель — коалесценцией.

Классификация эмульсий

Прямые и обратные. В обозначении сначала пишут дисперсную фазу, затем среду:

• прямые эмульсии «масло в воде» (м/в): капли масла в воде или другой полярной жидкости ($\text{H}_2\text{O}$, $\text{C}_3\text{H}_7\text{OH}$…);
• обратные эмульсии «вода в масле» (в/м), например нефть.

По концентрации дисперсной фазы:

74 % — доля объема, занимаемая шарами одинакового размера при плотнейшей упаковке; при большей концентрации капли деформируются.

Получение эмульсий

Эмульсии, как и другие дисперсные системы, бывают лиофильными и лиофобными.

1. Лиофильные (критические) эмульсии

Лиофильные — так называемые критические эмульсии, которые самопроизвольно образуются очень близко к критической температуре расслоения бинарной системы жидкость — жидкость. Например, вблизи верхней критической температуры системы фенол — вода (около 65 °C) образуется высокодисперсная эмульсия фенола в воде.

Межфазное натяжение в таких системах очень мало, $\sigma \sim 1\cdot 10^{-4}$ Дж/м², размер капель $r < 100$ нм. Рост поверхностной энергии компенсируется возрастанием энтропии (условие образования лиофильных систем), поэтому такие эмульсии устойчиво существуют вблизи критической температуры. Их отличают высокая дисперсность, термодинамическая устойчивость и узкий температурный интервал существования.

2. Лиофобные эмульсии

Лиофобные эмульсии получают методом диспергирования: перемешиванием, вибрацией, ультразвуком, в коллоидных мельницах. Чтобы такие системы существовали, нужны стабилизаторы — эмульгаторы, которые предотвращают разрушение (коалесценцию) эмульсий.

• Для разбавленных эмульсий эмульгатором служит небольшая добавка электролита.
• Для концентрированных и желатинированных эмульсий используют ПАВ, которые адсорбируются на границе раздела фаз. Нужен длинный углеводородный радикал, поскольку должен соблюдаться баланс между полярной и неполярной частями молекулы. Используют мыла с числом атомов углерода от 12 до 18, например стеарат натрия.

Тип эмульсии определяется природой эмульгатора. Эмульгатор должен лучше взаимодействовать с дисперсионной средой и располагаться снаружи капли, защищая ее от внешнего воздействия; ПАВ при этом понижают межфазное натяжение. Дисперсионной средой становится та жидкость, которая лучше взаимодействует с эмульгатором.

Натриевые мыла — стеарат $\text{C}_{17}\text{H}_{35}\text{COONa}$ и олеат $\text{C}_{17}\text{H}_{33}\text{COONa}$ — лучше растворимы в воде и стабилизируют прямые эмульсии:

Кальциевое мыло $(\text{C}_{17}\text{H}_{35}\text{COO})_2\text{Ca}$ растворимо в масле и стабилизирует обратные эмульсии:

Эмульгаторами могут быть и твердые высокодисперсные порошки. Гидрофильная глина стабилизирует прямые эмульсии, гидрофобная сажа — обратные:

Обращение фаз

Для эмульсий характерно обращение фаз: тип эмульсии можно поменять, меняя природу эмульгатора. Например, прямую эмульсию, стабилизированную олеатом натрия, обрабатывают раствором хлорида кальция. Гидрофильный олеат натрия превращается в гидрофобный олеат кальция:

и эмульсия становится обратной. Затем нужно убедиться, что обращение фаз произошло (методы — ниже). Этот прием используется, чтобы разрушать эмульсию молока (при сбивании масла).

Определение типа эмульсии

1. Метод электропроводности. Вода и водные системы проводят электрический ток, а масла — нет. Если дисперсионной средой является вода, ток будет, если масло — не будет.
2. Метод окрашивания. В систему вносят краситель, растворимый в одной из фаз, например жирорастворимый Судан III: окрашивается масляная фаза, и под микроскопом видно, капли это или среда.
3. Смешение. Капля эмульсии сливается с той жидкостью, которая является ее дисперсионной средой.

Разрушение эмульсий

Разрушение эмульсий происходит путем коалесценции. Способы:

1. Если прямые эмульсии стабилизированы ионогенным эмульгатором, можно добавить электролиты с поливалентными ионами: двойной электрический слой сожмется.
2. Эмульгатор нейтрализуют другим эмульгатором, который способствует образованию обратной эмульсии.
3. Добавляют вещество, более поверхностно-активное, чем эмульгатор, но не образующее прочных пленок, — например, спирты (амиловый): они вытесняют эмульгатор, но пленок не образуют.
4. Повышение температуры.
5. Электрическое поле.
6. Центрифугирование.
7. Фильтрование.