Тема: «Общая характеристика грубодисперсных систем, их классификация. Характеристика эмульсий».
Цели:
Образовательная: изучить свойства грубодисперсных систем и их классификацию.
Воспитательная: привитие интереса к дисциплине.
Развивающая: развитие умения использовать теоретические знания на практике.
Учебно-методическое обеспечение и оснащение: мультимедийное оборудование, компьютер.
Тип занятия – сообщение новых знаний.
Вид занятия – лекция – беседа (с использованием технических средств, презентации, химических опытов).
Методы обучения:
1.По источникам передачи и характеру восприятия информации -
наглядный (демонстрация презентации).
2.По характеру познавательной деятельности – объяснительно-иллюстративный.
Межпредметные связи физика.
Ход занятия.
Организационный момент.
Изучение нового материала:
1. Общие сведения о грубодисперсных системах.
2. Характеристика эмульсий.
Закрепление материала
Обсуждение материала по вопросам.
Домашние задание:
Общие сведения о грубодисперсных системах.
Системы, в которых размер частиц дисперсной фазы не менее 10~5 см, называются грубодисперсными. К ним относятся эмульсии, пены, порошки и суспензии, имеющие более низкую степень дисперсности, чем коллоиды. Грубодисперсные системы по ряду свойств приближаются к микрогетерогенным системам, поэтому имеют много общего с коллоидами.
Подобно коллоидам они гетерогенны и обладают сильно развитой поверхностью раздела фаз. Наличие значительной удельной поверхности согласно второму закону термодинамики приводит эти системы к агрегативной неустойчивости. Поэтому агрегативную устойчивость таким системам можно придать добавлением стабилизатора, который адсорбируется на частицах дисперсной фазы.
Из-за отсутствия броуновского движения эмульсии, пены и суспензии кинетически неустойчивы. В них наблюдается или оседание частиц под влиянием сил тяжести (когда плотность вещества частиц больше плотности среды), или всплывание частиц (если плотность вещества частиц меньше плотности среды).
Грубодисперсные системы широко распространены в природе и применяются в практической деятельности человека. Особенно важное значение имеют они в технологии приготовления пищи, ибо большинство кулинарных изделий или полуфабрикатов являются эмульсиями, порошками, пенами или суспензиями.
Характеристика эмульсий.
Строение и получение эмульсии.Эмульсии — гетерогенные системы из взаимно нерастворимых жидкостей. В таких системах одна из жидкостей (дисперсная фаза) извешена в другой (дисперсионной среде) в виде капелек.
Чаще всего эмульсии состоят из воды и второй жидкости, которую принято обозначать как «масло». Так, к числу «масел» относятся бензин, керосин, бензол, масламинеральные, животные, растительные и другие неполярные жидкости.
Можно диспергировать гидрофобную жидкость в воде, например приготовить эмульсию бензола в воде. Вполне возможно диспергировать и воду в бензоле и получить при этом эмульсию воды в бензоле. Следовательно, принципиально могут быть эмульсии двух типов: масло в воде (сокращено м/в), где дисперсной фазой будет масло, а дисперсионной средой — вода, и вода в масле (сокращено в/м), когда дисперсная фаза — вода, дисперсионная среда — масло. Примером эмульсии первого типа может служить коровье молоко (эмульсия жира в гидрозоле белка), а эмульсии второго типа — природная нефть, различные медицинские мази (эмульсии воды в масле).
Эмульсии обычно получают механическим диспергированием (эмульгированием) одной жидкости в другой.
Эмульгируемые жидкости сильно перемешивают, встряхивают или подвергают вибрационному воздействию с помощью мешалок, коллоидных мельниц, ультразвука. В кулинарной практике это выполняется на специальных взбивальных машинах или иногда вручную различными взбивалками.
Благодаря огромному увеличению поверхности раздела между двумя жидкостями эмульсия приобретает большой запас свободной поверхностной энергии Е и становится термодинамически неустойчивой. Согласно второму закону термодинамики такая система будет стремиться самопроизвольно перейти в устойчивое состояние путем уменьшения запаса свободной поверхностной энергии. Этот самопроизвольный процесс может происходить или за счет уменьшения поверхностного натяжения σ, или за счет уменьшения величины поверхности S, так как свободная поверхностная энергия связана с поверхностным натяжением и суммарной величиной поверхности уравнением E=σS.
Если понижение запаса свободной поверхностной энергии пойдет за счет уменьшения суммарной поверхности системы, это выразится в слиянии капелек жира, в уменьшении числа жировых капелек. Слияние капель эмульсии называют коалесценцией, она подобна коагуляции и быстро заканчивается расслоением системы на две отдельные жидкие фазы с минимальной поверхностью раздела. Такое слияние приводит к разрушению эмульсии. Следовательно, подобно коллоидам, эмульсии являются агрегативно неустойчивыми системами.
Понижения поверхностной энергии эмульсии можно добиться уменьшением поверхностного натяжения. Этого можно достичь введением в систему какого-либо поверхностно-активного вещества, способного адсорбироваться на поверхности капелек эмульсии и препятствовать их слиянию. Подобные вещества, стабилизирующие эмульсию, называют стабилизаторами или эмульгаторами. При этом суммарная поверхность системы остается неизменной, а образующаяся эмульсия становится агрегативно устойчивой.
По содержанию дисперсной фазы эмульсии делят на разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные, или желатинированные.
К разбавленным эмульсиям относятся системы, в которых объемная доля дисперсной фазы менее 1%. Они устойчивы без специальных эмульгаторов. Устойчивость разбавленных эмульсий объясняется довольно малыми размерами капелек жидкости и незначительной концентрацией этих систем.
В концентрированных эмульсияхобъемная доля дисперсной фазы от 1 до 74%. Увеличение концентрации приводит к понижению агрегативной устойчивости, ибо увеличивается вероятность столкновения, а следовательно, и коалесценция капель. Поэтому для повышения агрегативной устойчивости концентрированных эмульсий вводят эмульгатор, который, адсорбируясь на границе раздела двух жидкостей, уменьшает поверхностное натяжение. Образующиеся на поверхности капелек эмульгированной жидкости прочные адсорбционные пленки препятствуют коалесценция. Система становится агрегативно устойчивой. В зависимости от типа эмульсий следует брать гидрофильные или гидрофобные эмульгаторы той или иной степени дисперсности.
Эмульгатордолжен быть подобен той жидкости, которая образует дисперсионную среду. Так, эмульсии типа м/в стабилизируются растворимыми в воде высокомолекулярными соединениями, например белками или водорастворимыми гидрофильными мылами (олеатом натрия и вообще мылами щелочных металлов). Эмульгаторами при получении эмульсии типа в/м служат высокомолекулярные вещества, нерастворимые в воде, но хорошо растворимые в углеводородах (каучук, смолы и др.), а также нерастворимые в воде мыла многовалентных металлов.
В адсорбционных слоях молекулы эмульгатора, содержащие полярные и неполярные группы (мыла, белки), ориентируются полярными концами к полярной жидкости, а неполярными к неполярной. На поверхности капелек жидкости в эмульсиях типа м/в и в/м будет наблюдаться противоположная ориентация молекул таких эмульгаторов.
Подобные оболочки из поверхностно-активных веществ на поверхности капелек эмульсии довольно прочны и упруги. При соударении частиц они, как правило, не разрушаются — эмульсии приобретают устойчивость.
Кроме высокомолекулярных соединений и мыл эмульгаторами для эмульсий как первого, так и второго типа могут служить порошки, так называемые твердые эмульгаторы. Однако они менее эффективны, чем мыла и высокополимеры. Порошки должны быть высокодисперсными и обязательно должны лучше смачиваться той жидкостью, которая служит дисперсионной средой; в этом случае большая часть твердых частиц будет находиться с внешней, наружной стороны капелек, образуя оболочки высокой прочности, которые предохраняют их от коалесценции при столкновениях. Если же частицы порошка лучше смачиваются жидкостью, которая представляет собой дисперсную фазу, то большая часть каждой частицы окажется втянутой внутрь капель, поверхность капелек эмульсии окажется незащищенной, и такие эмульсии будут коалесцировать. Поэтому гидрофильные порошки, например мука, мел, оксид железа (III), глина, стабилизируют эмульсии типа м/в, тогда как сажа и другие гидрофобные порошки стабилизируют эмульсии типа в/м.
Высококонцентрированные эмульсии с концентрацией дисперсной фазы более 74% называют желатинированными. В подобных эмульсиях капельки дисперсной фазы сильно деформированы. Из шариков они превращаются в многогранники, последние могут быть плотнее упакованы. Поэтому высококонцентрированные эмульсии могут содержать дисперсной фазы до 99%. Дисперсионная среда в таких эмульсиях превращается в тонкие пленки, разделяющие дисперсную фазу на многогранники. Желатированные эмульсии твердообразны, сохраняют свою форму, не растекаются. Примером могут служить сливочное масло, маргарин, майонез, густые кремы.
Разрушение эмульсий. Во многих случаях разрушение эмульсии — деэмульгирование — может быть не менее важным, чем их образование. Деэмульгирование сводится к коалесценции эмульсии, т. е. к расслаиванию ее на свободные жидкие фазы. Разрушение эмульсий может быть достигнуто следующими способами:
1) химическим разрушением защитных пленок соответствующими веществами, например разрушение серной кислотой эмульгатора молока при определении его жирности;
2) разрушением защитных пленок механическим воздействием, например, при сбивании сметаны и сливок для получения масла (здесь де эмульгирование сопровождается концентрированием, т. е. образованием желатинированной эмульсии);
3) термическим разрушением — расслоением эмульсий при нагревании; при этом уменьшается адсорбция эмульгатора и увеличивается число столкновений капелек, что ведет к их слиянию. Такое разрушение (расслоение) эмульсий наблюдается при длительном кипячении соусов, при изготовлении топленого масла. Разрушение эмульсий происходит и при понижении температуры — вымораживании. Например, при хранении майонеза ниже —15° С замерзает дисперсионная среда, что при последующем оттаивании ведет к его разрушению.
Значение эмульсий. Эмульсии широко распространены в природе (сырая нефть, млечный сок растений-каучуконосов). Эмульсии используются и образуются при многих производственных процессах. Эмульсиями являются разнообразные продукты питания; молоко, сливочное масло, маргарин, сливки.
Молоко — это полидисперсная система, компоненты которой находятся в различной степени дисперсности. В теплом молоке жир находится в эмульгированном состоянии, а белковые вещества и часть солей — в коллоидном, другая часть солей в виде истинных растворов. При стоянии молока образуется слой концентрированной эмульсии — сливки. Для повышения устойчивости его гомогенизируют. В процессе гомогенизации крупные жировые капельки молока уменьшаются в несколько раз. Такое гомогенизированное молоко очень устойчиво и не образует слоя сливок в течение нескольких месяцев.
Из молока изготовляют сливочное масло и маргарин. Маргарин представляет собой эмульсию типа в/м, а сливочное масло — сложную структурированную эмульсию, содержащую элементы обоих типов эмульсии м/в и в/м в разных соотношениях.
Велико значение эмульсий и эмульгирования в кулинарной практике. Физиология питания ставит перед технологией приготовления пищи задачу не только увеличить усвояемость пищи, но и уменьшить энергетические затраты на ее усвоение и облегчить течение биохимических реакций в пищеварительном тракте. С этой точки зрения имеет большое значение, например, эмульгирование жиров в кулинарной практике. В качестве примера рассмотрим особенности приготовления майонезов.
Дисперсионная среда в этих эмульсиях — вода желтков и уксуса, дисперсная фаза — растительное масло. Эмульгаторами служат лецитин и виттелин желтка и белки порошка горчицы. Жира в майонезе содержится 75%. Он раздроблен на мельчайшие шарики. При ручном взбивании размер их составляет 1,5—2•10-3 см, а при машинном — от 10-4 до 4•10-4. В 1 г соуса содержится до 1•1012 жировых шариков. На такое раздробление жира приходится затрачивать значительную работу. Если бы жир входил в пищу неэмульгированным, то эту работу должен был бы выполнять организм человека. Кроме того, если поверхность 1 см3 масла равна всего 6 см2, то в майонезе она достигает 60000 см2. При таком увеличении поверхности во много раз облегчается реакция между жирами и водой под действием ферментов пищеварительного тракта. Чем мельче жировые шарики, тем устойчивее получается эмульсия. Однако большая степень раздробления жира (дисперсность) в соусах типа майонез играет и отрицательную роль.
Большая поверхность приводит к ускорению процессов окисления и прогоркания жиров под действием света и кислорода. Поэтому майонез необходимо хранить в темном месте и в герметический таре.
Нежелательным является эмульгирование жира в процессе варки мясных бульонов (обычно при сильном кипении), так как эмульгированные жиры легко гидролизуются (омыляются) и выделяющиеся жирные кислоты придают бульонам вкус сала и запах мыла.