Коллоидная химия. Лабораторный практикум. Учебное пособие

связана с областью контакта полярных групп с водой, а вторая – 2 –

с соответствующей областью контакта углеводородных цепей молекул ПАВ с масляной фазой (рис. 6.3).

аб

Рис. 6.3. Стабилизация эмульсий молекулами ПАВ

Эти две величины условно могут быть отождествлены с двумя разделяющими поверхностями, которые в капле эмульсии имеют соответственно радиусы кривизны r1 и r2, причем внешняя поверхность имеет большую площадь.

В случае эмульсии, стабилизированной молекулами ПАВ с высокими значениями ГЛБ, внешней оказывается поверхность контакта

полярных групп с водой (r1 r2 , рис. 6.3, а), именно она получает наибольшее развитие, обладая более низкой плотностью свободной энергии 1 2 , т. е. образуется прямая эмульсия. Аналогично для обратных эмульсий, стабилизированных молекулами ПАВ с низким ГЛБ, 2 1,r2 r1, и наибольшее развитие получает низкоэнергети-

ческая поверхность контакта углеводородных цепей с масляной фазой. От соотношения σ1 и σ2 зависит тип эмульсии. На этом же рисунке представлена ориентация молекул эмульгатора на границе раздела фаз

прямой (см. рис. 6.3, а) и обратной эмульсии (рис. 6.3, б).

Объяснение механизма влияния эмульгатора может быть разным, но несомненным является то, что стабилизация прямых эмульсий осуществляется водорастворимыми ПАВ, а обратных – маслорастворимыми ПАВ. Жидкость, лучше взаимодействующая с эмульгатором, является дисперсионной средой.

51

Эмульгатор определяет не только тип эмульсии, но и проявляется в обращении фаз эмульсии, когда при определенных условиях дисперсная фаза эмульсии становится в ней дисперсионной средой, а дисперсионная среда – дисперсной фазой. Так, если к эмульсии М/В, стабилизатором которой является стеарат натрия, добавить раствор СаCl2 и сильно встряхнуть, получается эмульсия В/М. Объясняется это тем, что образующийся стеарат кальция лучше растворим в масле и происходит обращение фаз.

Для контроля процесса обращения фаз эмульсий очень удобен кондуктометрический метод.

Следует отметить, что эмульсии широко распространены в природе и имеют большое значение в жизни человека. К эмульсиям относят молоко, сливочное масло, лимфу, природную нефть, млечный сок растений, латексы, магму, битумы, консистентные смазки, отработанные масла, кремы, мази, лекарственные составы и т. д. Моющее действие мыла также основано на процессе эмульгирования загрязнений жирного характера в условиях механического воздействия. Во многих случаях образование эмульсий является нежелательным. Тогда встает вопрос о разработке методов разрушения эмульсий. Например, важной крупномасштабной задачей является эффективное и экономичное разрушение нефтяных эмульсий с большим содержанием засоленной воды.

Задание: подготовьте краткую теорию к отчету в соответствии с планом.

Какие дисперсные системы называют эмульсиями? Перечислите особенности их свойств.

Перечислите классификации и основные способы получения эмульсий.

Какие эмульсии называют критическими?

Что понимают под типом эмульсии? Как можно определить тип эмульсии?

Что называют эмульгатором? Чем отличается эмульгатор от стабилизатора?

52

6.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Цель работы. Приготовить эмульсию заданного типа и выполнить исследования в соответствии с указаниями к конкретным опытам.

Оборудование и реактивы:

микроскоп биологический с предметными и покровными стек-

лами;

кондуктометр с датчиком электропроводности;

баня водяная и термометр спиртовой со шкалой от 0 до 100 ºС;

пробирки стеклянные на 20 мл с пробками – 4 шт.;

штатив для пробирок;

колба стеклянная коническая емкостью 100 мл;

стакан стеклянный емкостью 100 мл;

ложечка маленькая для удаления остатков мыла;

секундомер;

цилиндр мерный на 100 мл;

пипетка мерная с делениями на 10 мл;

пипетка аптечная на 1 мл;

пипетки для отбора эмульсий – 2 шт.;

кальций хлористый, 2 %-й водный раствор;

1 %-й водный раствор желатина;

растительное масло, 20…30 мл;

этиловый спирт, 5…10 мл;

мыло хозяйственное (стружка), 10…15 г;

краска судан III.

Опыт 1. Оценка устойчивости эмульсий

Налейте в каждую из двух пробирок по 5 мл дистиллированной воды. В одну из пробирок поместите кусочек мыла. Закройте эту пробирку пробкой и энергично перемешайте, чтобы получить мыльную воду. Затем в каждую пробирку прилейте по 1 мл растительного масла, окрашенного краской судан III. Закройте пробирки пробками и равномерно, но достаточно энергично встряхивайте их в течение минуты. Наблюдаемые явления запишите в таблицу по форме табл. 6.1.

Оцените устойчивость эмульсий по скорости расслаивания фаз. С этой целью поставьте пробирки в штатив и отметьте время начала и окончания расслаивания фаз, определите длительность процесса и состав наиболее устойчивой эмульсии. Время запишите в табл. 6.1.

53

Таблица 6.1

Результаты эксперимента

Опыт 2. Обращение фаз эмульсий

Приготовьте эмульсию растительного масла в воде. Для этого в колбу емкостью 100 мл прилейте примерно 10 мл воды и поместите кусочек хозяйственного мыла. Встряхивайте смесь до получения легкой пены. Удалите мыло с помощью ложечки и прилейте в колбу с мыльной водой примерно 10 мл растительного масла. Энергично встряхните 5–6 раз содержимое колбы. Между встряхиваниями выдерживайте интервал до 20…30 с. Рассмотрите полученную эмульсию под микроскопом и опишите ее. Определите тип эмульсии.

Внимание! Перед началом рассмотрения эмульсии изучите инструкцию по работе с микроскопом (см. приложение). Поместите каплю эмульсии на предметное стекло, накройте покровным стеклом и определите с помощью микроскопа в светлом поле, к какому типу относится данная эмульсия.

Отберите 15…20 мл полученной эмульсии в чистый стакан емкостью не менее 50 мл и погрузите в него датчик кондуктометра. Измерьте электропроводность системы и запишите данные в таблицу по форме табл. 6.2.

5 %-й раствор хлористого кальция, измеряя после каждой добавки электропроводность смеси.

54

После прибавления двух-трех добавок рассмотрите эмульсию под микроскопом и опишите ее, сравнивая с исходной эмульсией. Определите тип эмульсии.

Продолжайте введение хлорида кальция до тех пор, пока значение электропроводности не установится постоянным. Определите с помощью микроскопа тип эмульсии и сравните его с типами исходной и промежуточной эмульсий.

Обработка результатов эксперимента. Объясните причины устой-

чивости / неустойчивости исследованных эмульсий; опишите характеристики эмульсий, наблюдаемых в микроскопе; определите их тип; объясните механизм обращения фаз эмульсий и роль хлорида кальция в этом процессе.

Опыт 3. Тиксотропия эмульсий

Выполните опыт в три этапа с примерно часовым промежутком между первым и вторым этапами.

Этап 1 – приготовление эмульсии типа «масло в воде». Налейте в свободную пробирку 5 мл 1 %-го раствора желатина. Подогрейте содержимое пробирки на водяной бане до 40 ºС и прилейте в пробирку небольшими порциями при энергичном встряхивании 4…5 мл растительного масла.

Этап 2 – получение геля. Пробирку с приготовленной на этапе 1 эмульсией выдержите в покое примерно в течение часа до образования твердообразной неподвижной массы.

Этап 3 – исследование тиксотропных свойств образовавшейся системы. Опишите полученный гель и попытайтесь вылить содержимое пробирки. Если оно не выливается, пробирку энергично встряхните несколько раз. Эмульсия вновь разжижается и становится вязкотекучей. При наличии времени повторите опыты 2 и 3.

Обработка результатов эксперимента. Опишите наблюдаемые явления, объясните поведение эмульсии. Определите, какие вещества являются стабилизаторами эмульсий. Опишите механизм гелеобразо-

вания в эмульсиях. Сделайте вывод по способам приготовления прямых и обратных эмульсий и их свойствам.

55

ной в клетку бумаге (например, миллиметровой) расстояние между двумя главными соседними линиями разделено на десять равных частей, то наиболее удобно выбирать такой масштаб, в котором это расстояние принято за одну, две или пять единиц или эти значения умножены на 10 ± n, где n – целое число.

Масштаб, при котором чтение графика затруднено, не может считаться приемлемым.

Не все линии координатной сетки должны быть надписаны; часто для чтения графика оказывается удобным надписывать линии через одну или несколько. Но какая бы система надписи обозначений ни была принята, она должна быть соблюдена на всем графике. Целесообразно, чтобы числа, проставленные на оси, содержали столько значащих цифр, сколько допускает точность данных или сколько можно прочесть по кривой. Для удобства пользования графиком необходимо проставить на каждой координатной оси название представляемой ее величины и единиц, в которых она измеряется (ее размерность).

3.Масштабы следует выбирать так, чтобы погрешность измерений соответствовала погрешности на графике не более чем в одно-два наименьших деления масштаба. При выборе масштаба по оси координат нет необходимости обязательно начинать с нулевого значения, если это не вызвано специальными соображениями (экстраполяция и т. д.). В соответствии с этим правилом шкала для каждой переменной величины может начинаться с наименьшего округленного значения из совокупности данных или несколько ниже и заканчиваться наибольшим округленным значением или несколько выше.

4.В тех случаях, когда график предназначается для определения производных или коэффициентов уравнения, выражающего эту кривизну, или экстраполяции полученной зависимости за пределы измерений, следует выбирать такую функциональную зависимость, чтобы линии получались «спрямленными», т. е. уменьшалась их кривизна.

5.Масштабы должны быть выбраны так, чтобы кривая, насколько это возможно, была наклонена к оси абсцисс под углом, близким к 45º.

При необходимости подчеркнуть характерные особенности в изменении функции (наличие максимума, минимума, точки перегиба и т. п.) следует относительно увеличить масштаб функции или уменьшить масштаб аргумента.

Проведение кривой через нанесенные точки

1.Кривая должна быть плавной, с наименьшим числом перегибов.

58

2.Кривая должна проходить насколько возможно близко ко всем точкам, однако необязательно через каждую отдельную точку, особенно через конечные, отвечающие измерениям, точность которых часто оказывается меньшей, чем для остальных, так как они отвечают пределу точности инструмента или применяемого метода.

3.Обычно (хотя не всегда) кривая не должна содержать необъяснимых разрывов, самопересечений или других особенностей.

4.Если данные разбиты на небольшие группы, то примерно половина точек каждой группы должна лежать по одну сторону кривой, а половина – по другую строну.

5.Если кривая предназначается для точного определения соответствующих значений х и y или для точного определения производных, то провести ее следует в виде возможно более тонкой линии.

59