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.

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 emulsjaemulsjaemulsja. 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.

R1O5pSEM1yHhP

Na zdjęciu przedstawiono dwie szklanki, w jednej znajduje się mleko, a w drugiej mleko na którego powierzchni zaczęła zbierać się śmietana. Szklanki są przeźroczyste. W szklance, w której zaczęła zbierać się śmietana widoczny jest żółtawy kożuch na powierzchni cieczy.

RuOVGwIWDAQXm

Na zdjęciu przedstawiono białą, ceramiczną miseczkę z majonezem i umieszczoną w nim metalową łyżeczką.

R15YqCePhH7zX

Zdjęcie przedstawia talerzyk z kostką masła i wbitym w nią metalowym nożem do smarowania.

R1L8AmYEpyay9

Zdjęcie przedstawia niski słoiczek z kremem. Słoik jest zakręcony i widnieje na nim napis "krem tłusty na noc".

R16ksm4NQn98l

Zdjęcie przedstawia głowę kobiety, która ma nałożoną chustę na włosy i na twarzy ma nałożoną białą maseczkę kosmetyczną.

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 ${10}^{-6}$ $\text{m}$ do ${10}^{-9}$ $\text{m}$. 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.

R1ErWR81s9pj4

Na grafice przedstawiono Efekt Tyndalla. Po lewej stronie znajduje się laser stanowiący źródło światła. Wiązka lasera pada na roztwór koloidalny znajdujący się w zlewce po prawej stronie. W zlewce tworzy się stożek Tyndalla - światło lasera przechodzi przez roztwór.

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 $\text{o/w}$ (gdzie woda stanowi substancję rozpraszającą, w której zawieszone są kropelki oleju) i typu woda w oleju $\text{w/o}$ (gdzie substancją rozpraszającą jest olej, w którym zawieszone są kropelki wody).

RR9BJRiNffJjw

Na grafice przedstawiono emulsję typu woda w oleju (<math aria‑label="o ukośnik wu">o/w). Na grafice znajduje się zlewka wypełniona wodą, w której znajdują się nierozpuszczone kropelki oleju przedstawione jako żółte kulki. Woda podpisana jest jako "faza rozpraszająca", a olej został opisany jako "faza rozproszona".

R1Snk0e3PXiMC

Grafika przedstawia emulsję typu woda w oleju <math aria‑label="wu ukośnik o">w/o. Na grafice znajduje się zlewka wypełniona olejem (żółta ciecz) oraz nierozpuszczone w nim kropelki wody przedstawione jako niebieskie kulki. Woda podpisana jest jako "faza rozproszona", natomiast olej opisano jako "faza rozpraszająca".

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.

R4ijV0yBZ1axm

Grafika przedstawia dwa rodzaje emulsji wielofazowych: <math aria‑label="o ukośnik wu ukośnik o">O/W/O i <math aria‑label="wu ukośnik o ukośnik wu">w/o/w. Na grafice znajdują się dwie zlewki. W zlewce po lewej stronie przedstawiona została emulsja typu <math aria‑label="o ukośnik wu ukośnik o">O/W/O - w zlewce znajduje się olej, w którym rozproszone są kropelki wody, a w nich znajdują się kropelki oleju. W zlewce po prawej stronie znajduje się woda, w której rozproszone są kropelki oleju, a w nich kropelki wody. Woda i jej kropelki mają kolor niebieski, a olej i jego kropelki kolor żółty.

Emulsja może być trwała wskutek obecności emulgatorów. Emulgator zwykle lepiej rozpuszcza się w jednej z dwóch faz.

EmulgatoryemulgatoryEmulgatory 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.

RuzqOyxfpc50A

Animacja pokazuje mechanizm wpływu emulgatora na proces tworzenia się emulsji. Zaprezentowano na poziomie molekularnym w jaki sposób zachowują się dwie niemieszające się ciecze bez dodatku emulgatora oraz po dodaniu emulgatora.

Animacja pokazuje mechanizm wpływu emulgatora na proces tworzenia się emulsji. Zaprezentowano na poziomie molekularnym w jaki sposób zachowują się dwie niemieszające się ciecze bez dodatku emulgatora oraz po dodaniu emulgatora.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RuzqOyxfpc50A

Animacja pokazuje mechanizm wpływu emulgatora na proces tworzenia się emulsji. Zaprezentowano na poziomie molekularnym w jaki sposób zachowują się dwie niemieszające się ciecze bez dodatku emulgatora oraz po dodaniu emulgatora.

RXOBdJASPHeRQ

Film przedstawia domowe metody sporządzania dwóch emulsji: sosu musztardowego oraz kremu kosmetycznego. W filmie wymienione zostały wszystkie potrzebne składniki oraz instrukcja wykonania poszczególnych czynności.

Film przedstawia domowe metody sporządzania dwóch emulsji: sosu musztardowego oraz kremu kosmetycznego. W filmie wymienione zostały wszystkie potrzebne składniki oraz instrukcja wykonania poszczególnych czynności.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RXOBdJASPHeRQ

Film przedstawia domowe metody sporządzania dwóch emulsji: sosu musztardowego oraz kremu kosmetycznego. W filmie wymienione zostały wszystkie potrzebne składniki oraz instrukcja wykonania poszczególnych czynności.

Ciekawostka

Lecytyna to emulgator, który znalazł szerokie zastosowanie w przemyśle spożywczym i kosmetycznym. Głównym jej źródłem są oleje roślinne. Czysta lecytyna stabilizuje emulsje typu $\text{o/w}$, natomiast nieoczyszczona, zawierająca inne substancje towarzyszące, może utrwalać emulsje typu $\text{w/o}$. Lecytyny są fosfolipidami, czyli tłuszczami, które oprócz reszt kwasów tłuszczowych zawierają w cząsteczce reszty kwasu fosforowego$\text{(V)}$.

R15bwbiE4UaVg

Na grafice przedstawiony został wzór ogólny związków należących do grupy lecytyn. Glicerol tworzy trzy wiązania estrowe. Dwa z nich z wyższymi kwasami karboksylowymi, a trzecie z kwasem fosforowym<math aria‑label="pięć">(V) dodatkowo tworzącym ester z choliną.

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.

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.

Dobre rozpraszanie można zaobserwować, kiedy faza rozpraszająca jest zgodna z rozpuszczalnikiem, w którym jest rozpuszczana.

Ciekawostka

Kosmetyki $\text{DMS}$
W $1995 \text{r.}$ po raz pierwszy wprowadzono na rynek kosmetyki $\text{DMS}$ (ang. Derma Membrane Structure). $\text{DMS}$ jest zaawansowanym materiałem bazowym do produkcji kosmetyków i preparatów dermatologicznych, wytworzonym z wykorzystaniem najnowszej technologii, opartej na nanocząstkach. $\text{DMS}$ to biały bezzapachowy koncentrat otrzymany z lipidów identycznych do lipidów skóry, łatwo wprowadzany do produktów pielęgnujących skórę. W odróżnieniu od tradycyjnych emulsji, $\text{DMS}$ ma strukturę blaszkową, dzięki której jest lepiej wchłaniany i tolerowany przez skórę.

R1WZGeovggVne

Obraz kremu tradycyjnego (po lewej) i kremu wyprodukowanego na bazie <math aria‑label="D M S">DMS (po prawej) obserwowany przez mikroskop elektronowy. Krem tradycyjny posiada w swojej strukturze różnej wielkości bąbelki, z kolei krem wyprodukowany na bazie <math aria‑label="D M S">DMS ma gładką powierzchnię poprzecinaną licznymi rysami ciemniejszego koloru, w stosunku do reszty powierzchni.

R1QMQyWj1GK33

Zdjęcie plastikowej buteleczki kosmetycznego płynu micelarnego. Butelka jest w połowie wypełniona niebieskim płynem.

Informacje o składzie kosmetyków

Skład kosmetyków podawany jest zgodnie z zasadami $\text{INCI}$, 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 $\text{INCI}$, 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:

  • $\text{O/W}$ (olej w wodzie) – fazą rozproszoną jest olej, fazą rozpraszającą jest woda (np. mleko);

  • $\text{W/O}$ (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

Ćwiczenia

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.