Emulsja jako układ koloidalny
Połączyć olej i wodę – niemożliwe! A jednak wokół nas jest wiele przykładów mieszanin oleju (tłuszczu) i wody, cieczy hydrofobowej i hydrofilowej, które tworzą bardzo pożądane i powszechnie stosowane produkty nazywane emulsjami. Są nimi na przykład mleko, margaryna, krem nawilżający, mleczko do demakijażu.
pojęcie detergentów, ich właściwości i zastosowanie;
budowę cząsteczki wody i konsekwencje z tego płynące;
definicję i właściwości koloidów;
działanie substancji powierzchniowo czynnych.
wyjaśniać, co to są emulsje, jaki jest ich podstawowy skład;
opisywać, jak otrzymuje się emulsje;
wymieniać przykłady zastosowania emulsji;
wyjaśniać, co to jest emulgator i na czym polega jego działanie;
podawać skład i działanie emulsji, które znalazły zastosowanie w codziennym życiu, np. kremu, balsamu.
1. Emulsje
Dwie ciecze, takie jak woda i etanol (alkohol etylowy), mieszają się ze sobą, tworząc roztwór właściwy (rzeczywisty), w którym nie ma granicy między jedną a drugą. Inne ciecze, jak np. olej i woda, nie mieszają się, lecz tworzą dwie oddzielne fazy (warstwy). Dzieje się tak dlatego, że niepolarne cząsteczki oleju nie mogą pokonać sił, którymi wiążą się polarne cząsteczki wody.
Czy można zmieszać wodę i olej?
Przeprowadzono doświadczenie pozwalające sprawdzić, czy można zmieszać wodę i olej.
Problem badawczy
Co zrobić, aby woda i olej się mieszały?
Hipoteza:
Sama woda i olej nie mieszają się ze sobą. Ich mieszaninę jednorodną można osiągnąć tylko w obecności emulgatora – czynnika, który umożliwia ich mieszanie się.
Co było potrzebne?
probówki z korkami;
woda;
olej;
płyn do mycia naczyń.
Jak przeprowadzono doświadczenie?
Do pierwszej probówki wlano około oleju i taką samą objętość wody. Następnie probówkę zamknięto korkiem i wstrząśnięto energicznie. Do drugiej probówki wlano około oleju i taką samą objętość wody, a następnie dodano kilka kropel płynu do mycia naczyń. Probówkę zamknięto i wstrząśnięto energicznie. Porównano wygląd mieszanin w obydwu probówkach.
Obserwacje:
Po dodaniu wody do oleju, w pierwszej probówce utworzyła się mieszanina niejednorodna (dwie oddzielne warstwy – fazy). W probówce z dodatkiem płynu do mycia naczyń, udało się zmieszać obie ciecze.
Wnioski:
Obecność emulgatora umożliwia mieszanie się wody i oleju.
Cząsteczki wody mają budowę polarną, a cząsteczki oleju są niepolarne. W trakcie mieszania wody i oleju dochodzi do rozproszenia (dyspersji) kropel oleju w całej objętości wody – tworzy się emulsjaemulsja. W procesie jej otrzymywania ważną rolę odgrywa różnica napięć powierzchniowych między mieszanymi substancjami – im jest ona mniejsza, tym łatwiej powstaje emulsja. Rozpraszanie poprzez wytrząsanie, intensywne mieszanie, wymaga nakładu pracy. Otrzymana emulsja jest nietrwała (niestabilna) – po pewnym czasie ciecze te ponownie tworzą dwie warstwy, a więc olej (o mniejszej gęstości) znów znajduje się na górze, zaś woda na dole. Dodanie płynu do naczyń, tzw. emulgatora, powoduje utrwalenie emulsji. Olej i woda mieszają się tylko w obecności substancji powierzchniowo czynnej, np. płynu do mycia naczyń.
Emulsje są to układy złożone z niemieszających się cieczy, przy czym jedna z nich jest rozproszona w drugiej w postaci drobnych kropelek. Woda jest zazwyczaj jedną fazą (warstwą), natomiast drugą stanowi ciecz niemieszająca się z nią, nazywana fazą olejową. Ze względu na rozdrobnienie, emulsja wygląda pozornie na jednorodną, a jej strukturę niejednorodną można (ze względu na wymiary fazy rozproszonej) obserwować dopiero pod mikroskopem. Emulsje są jednym z rodzajów koloidów.
W roztworach koloidalnych rozmiary cząstek substancji rozpuszczonej są większe niż w roztworach rzeczywistych i wynoszą od do . Wyróżnia się w tych roztworach fazę rozpraszającą, która odgrywa rolę rozpuszczalnika, oraz substancję (fazę) rozproszoną, będącą odpowiednikiem substancji rozpuszczonej w roztworze rzeczywistym. Charakterystyczną właściwością roztworów koloidalnych jest rozpraszanie światła padającego na roztwór, tzw. efekt Tyndalla. Polega to na rozproszeniu wiązki światła padającej na roztwór koloidalny, w wyniku czego może tworzyć się charakterystyczny stożek świetlny. Stożek (lub jego brak) zależy od źródła światła – przy skupionym źródle światła (jakim jest na przykład laser), stożek nie pojawia się.
Budowę emulsji można scharakteryzować przez wzajemny układ faz i ich objętościowe stosunki. Ze względu na wzajemny układ faz wyróżnia się dwa rodzaje emulsji typu olej w wodzie (gdzie woda stanowi substancję rozpraszającą, w której zawieszone są kropelki oleju) i typu woda w oleju (gdzie substancją rozpraszającą jest olej, w którym zawieszone są kropelki wody).
Wyróżnia się też emulsje wielofazowe, które charakteryzują się tym, że nie można dokładnie określić, która faza jest fazą rozproszoną, a która rozpraszającą, ponieważ każda z nich zawiera w sobie kropelki innej fazy.
Emulsja może być trwała wskutek obecności emulgatorów. Emulgator zwykle lepiej rozpuszcza się w jednej z dwóch faz.
EmulgatoryEmulgatory są związkami powierzchniowo czynnymi, o właściwościach hydrofobowo‑hydrofilowych, tworzącymi warstwę molekularną na powierzchni kropelek rozproszonej cieczy. Ich przykładami są mydła, detergenty, estry alkoholi wielowodorotlenowych oraz takie substancje naturalne, jak żelatyna, agar‑agar, lanolina, lecytyna, guma arabska.
Lecytyna to emulgator, który znalazł szerokie zastosowanie w przemyśle spożywczym i kosmetycznym. Głównym jej źródłem są oleje roślinne. Czysta lecytyna stabilizuje emulsje typu , natomiast nieoczyszczona, zawierająca inne substancje towarzyszące, może utrwalać emulsje typu . Lecytyny są fosfolipidami, czyli tłuszczami, które oprócz reszt kwasów tłuszczowych zawierają w cząsteczce reszty kwasu fosforowego.
2. Emulsje kosmetyczne
Emulsje znalazły powszechne zastosowanie w przemyśle kosmetycznym. Umożliwiają dotarcie szerokiej gamy składników w nich zawartych w głąb skóry, a także do wnętrza włosów.
Każda emulsja kosmetyczna składa się z bazy tłuszczowo‑woskowej, emulgatorów, surowców dodatkowych oraz wody. Składniki emulsji dobiera się w zależności od przeznaczenia i sposobu działania preparatu kosmetycznego, a także od typu emulsji, jaki chcemy uzyskać. Typowymi emulsjami są kremy, balsamy i mleczka.
Konsystencja lub gęstość emulsji zależą od zawartości fazy rozproszonej, rodzaju emulgatora, lepkości fazy rozpraszającej i obecności w tej fazie substancji wpływających na konsystencję kosmetyku.
Typ emulsji | Zawartość fazy rozproszonej | Zastosowanie |
---|---|---|
|
| kremy nawilżające, podkładowe, balsamy do ciała, maseczki, dezodoranty, niektóre odżywki do włosów |
|
| kremy, kremy na noc, lekkie kremy pod oczy, mleczka, niektóre odżywki do włosów |
|
| kremy tłuste, na noc, pod oczy, kremy uniwersalne, ochronne, mleczka do demakijażu |
Krem kosmetyczny
Najprostszy krem składa się z tłuszczu, wody i emulgatora. Często zawiera więcej niż jeden emulgator, ponieważ zapewnia to lepszą stabilność i daje pewność, że nie będzie się rozwarstwiał. Emulgatory są jednocześnie hydrofobowe i hydrofilowe. Służą zdrowiu i zdrowemu wyglądowi. Dla przykładu wymienić można lecytynę, lanolinę czy cholesterol.
Przeprowadzono doświadczenie pozwalające rozpoznać i określić rodzaj emulsji kosmetycznej.
Problem badawczy
Jak rozpoznać i określić typ emulsji kosmetycznej?
Postawiona hipoteza
Typ emulsji można rozpoznać badając, jak rozprasza się ona w wodzie, a jak w oleju.
Co było potrzebne?
dwie probówki z korkiem;
cylinder miarowy;
woda destylowana;
olej parafinowy;
mleczko kosmetyczne, krem nawilżający lub inne emulsje kosmetyczne.
Opis doświadczenia:
Do jednej probówki wlano oleju parafinowego, a do drugiej probówki wody destylowanej. Do każdej probówki dodano kilka kropli mleczka kosmetycznego. Wymieszano dokładnie zawartość probówek (poprzez energiczne wytrząsanie lub za pomocą bagietki szklanej). Czynności te powtórzono w przypadku kremu nawilżającego.
Obserwacje:
W zależności od użytego rodzaju mleczka:
1. mleczko dokładnie rozprasza się w oleju parafinowym, a w wodzie nie ulega rozproszeniu.
lub:
2. mleczko nie rozprasza się w oleju parafinowym, a w wodzie ulega rozproszeniu, tworząc jednorodną emulsję.
Wnioski:
Jeżeli dodana emulsja kosmetyczna dokładnie rozprasza się w oleju parafinowym, tworząc jednorodną emulsję, a w wodzie nie ulega rozproszeniu, to:
1. badane mleczko jest emulsją typu woda w oleju ().
lub:
Jeżeli dodana emulsja kosmetyczna nie rozprasza się w oleju parafinowym, a w wodzie ulega rozproszeniu, tworząc jednorodną emulsję, to:
2. badane mleczko jest emulsją typu olej w wodzie ().
Dobre rozpraszanie można zaobserwować, kiedy faza rozpraszająca jest zgodna z rozpuszczalnikiem, w którym jest rozpuszczana.
Kosmetyki
W po raz pierwszy wprowadzono na rynek kosmetyki (ang. Derma Membrane Structure). jest zaawansowanym materiałem bazowym do produkcji kosmetyków i preparatów dermatologicznych, wytworzonym z wykorzystaniem najnowszej technologii, opartej na nanocząstkach. to biały bezzapachowy koncentrat otrzymany z lipidów identycznych do lipidów skóry, łatwo wprowadzany do produktów pielęgnujących skórę. W odróżnieniu od tradycyjnych emulsji, ma strukturę blaszkową, dzięki której jest lepiej wchłaniany i tolerowany przez skórę.
Informacje o składzie kosmetyków
Skład kosmetyków podawany jest zgodnie z zasadami , czyli ang. International Nomenclature of Cosmetic Ingedients. W tym systemie stosuje się angielskie nazewnictwo związków chemicznych oraz nazwy łacińskie roślin, a także skróty i uproszczenia tych nazw.
Według zaleceń z , nazwy składników na etykiecie podawane są zgodnie z ich malejącą zawartością w produkcie. Dlatego bardzo często pierwszym składnikiem kosmetyku jest aqua (woda).
Podsumowanie
Emulsja jest złożona z mikroskopijnych kropelek cieczy, rozproszonych w całej objętości drugiej cieczy. Majonez jest emulsją, w której małe kropelki octu rozproszone są w oleju roślinnym. Mleko zaś jest emulsją, w której w roztworze wodnym rozproszone są kropelki tłuszczu. Typowe emulsje to mieszaniny nierozpuszczalnych w wodzie olejów (organicznych i mineralnych) i wody.
Typy emulsji, w których jednym ze składników jest woda:
(olej w wodzie) – fazą rozproszoną jest olej, fazą rozpraszającą jest woda (np. mleko);
(woda w oleju) – woda jest substancją rozproszoną, a olej fazą rozpraszającą (np. margaryna).
Nie można otrzymać trwałej emulsji bez dodatku emulgatora, który umożliwia trwałe mieszanie się cieczy o charakterze hydrofobowym i hydrofilowym. Są to środki powierzchniowo czynne, których budowa sprawia, że ustawiają się na granicy obu cieczy. Jedną częścią zanurzone są w cieczy polarnej hydrofilowej, a drugą w hydrofobowej. Emulgator powoduje tworzenie się emulsji i zwiększa jej trwałość.
Emulgatory stosowane są szeroko w farmacji i przemyśle spożywczym, np. lecytyna jest stosowana przy produkcji margaryny.
Słownik
mieszanina dwóch lub więcej cieczy, które się ze sobą nie mieszają; jedna ciecz rozproszona jest w drugiej w postaci małych kropelek; przykładem emulsji jest mleko
inna nazwa to faza zdyspergowana; jest w emulsjach odpowiednikiem substancji rozpuszczonej
inna nazwa to faza dyspersyjna; pełni rolę rozpuszczalnika w emulsjach i innych roztworach koloidalnych
substancje ułatwiające tworzenie się emulsji i nadające jej trwałość; gromadzą się na powierzchni granicznej dwóch cieczy tworzących emulsję, zmniejszają silnie napięcie powierzchniowe i zapobiegają zlepianiu się kropelek fazy rozproszonej, emulgatorami są na przykład detergenty
Ćwiczenia
Zapoznaj się z przepisem na sos musztardowy i wskaż składniki fazy wodnej i fazy olejowej powstającej emulsji.
SOS MUSZTARDOWY
Składniki:
- musztarda,
- ocet winny,
- sól,
- pieprz,
- olej.
Wykonanie:
Musztardę, ocet winny, sól i pieprz energicznie ucieraj w miseczce, następnie dodawaj stopniowo olej, nie przerywając ucierania, aż otrzymasz sos o właściwej konsystencji.
musztarda, sól, olej, ocet winny
faza wodna | |
---|---|
faza olejowa |
Rozwiąż krzyżówkę i z odczytaj hasło.
- Substancja często stosowana do zapewnienia stabilności emulsji. Występuje w żółtku jaj.
- Biała emulsja pochodzenia naturalnego.
- Substancje utrwalające emulsję.
- Fragment budowy emulgatora oddziałujący z fazą wodną.
- Wiele z tych produktów ma postać emulsji.
- Faza nielubiąca wody – faza...
- Popularna w kuchni emulsja, dodatek do sałatek i przekąsek.
1 | |||||||||||||||
2 | |||||||||||||||
3 | |||||||||||||||
4 | |||||||||||||||
5 | |||||||||||||||
6 | |||||||||||||||
7 |
Zapoznaj się z recepturą otrzymywania kremu typu i oblicz udział procentowy (masowy) fazy wodnej i tłuszczowej w tym kremie.
Receptura: krem tłusty lanolinowy.
lanolina ;
wazelina ;
olej parafinowy ;
olej roślinny ;
wosk pszczeli ;
boraks ;
kwas cytrynowy (konserwant) ;
woda destylowana ;
kompozycja zapachowa q.s.*
*q.s. (z łac. quantum satis – ile wystarczy) oznacza, że ilość potrzebnego składnika farmaceuta ustala wg zaleceń lub własnego doświadczenia.
WYKONANIE:
W szklanym naczyniu odważyć odpowiednie ilości wazeliny, lanoliny oraz oleju parafinowego i roślinnego, dodać naważkę wosku pszczelego.
Naczynie z fazą tłuszczową () umieścić w łaźni wodnej ogrzewanej do temperatury i pozostawić aż do momentu całkowitego stopienia stałych składników.
W oddzielnym naczyniu, w odpowiedniej ilości wody destylowanej, rozpuścić boraks i kwas cytrynowy; otrzymany roztwór ogrzać do temperatury (pod przykryciem).
Naczynie ze stopioną fazą tłuszczową przenieść na mieszadło magnetyczne, cały czas mieszając, powoli dodawać fazę wodną do fazy tłuszczowej, całość mieszać aż do ostygnięcia i ustabilizowania się konsystencji kremu; w międzyczasie można dodać kompozycję zapachową (wg uznania).
Bibliografia
Encyklopedia Powszechna PWN
Gulińska H., Smolińska J., Ciekawa chemia, cz. 3, Warszawa 2013.
Krzeczkowska M., Loch J., Mizera A., Repetytorium chemia. Liceum – poziom podstawowy i rozszerzony, Warszawa – Bielsko‑Biała 2010.
McMurry J., Chemia organiczna, t. 1, Warszawa 2000.