Понятие об аэрозолях, суспензиях и эмульсиях. Особенности получения и очистки.

Аэрозоли.Аэрозолями называют свободно-дисперсные системы с газообразной дисперсной средой и дисперсной фазой, состоящей из твердых или жидких частиц. Аэрозоли образуются при взрывах, дроблении и распылении веществ, а также в процессах конденсации при охлаждении пересыщенных паров воды и органических жидкостей. Аэрозоли можно получить и с помощью химических реакций, протекающих в газовой фазе.

По агрегатному состоянию частиц аэрозоли классифицируют на туманы (ж/г) – дисперсная система состоит из капелек жидкости, дымы (т/г) – аэрозоли с твердыми частицами конденсационного происхождения, пыли (т/г) – твердые частицы, образованные путем диспергирования. Возможны системы смешанного типа, когда на твердых частицах конденсируется влага. Так возникает «смог» – туман, образовавшийся на частицах дыма.

Наиболее высокодисперсными аэрозолями являются дымы, размеры твердых частиц которых находятся в пределах 10^–9 – 10^–5 м; частицы пыли имеют размеры свыше 10^{-5 м, размеры капелек туманов от 10–7} до 10^–5 м.

Особенности аэрозолей заключается в том, что из-за низкой вязкости воздуха седиментация и диффузия частиц аэрозоля протекает очень быстро. Кроме того туманы и дымы очень легко переносятся ветром, что используют для создания дымовых завес, окуривания и опрыскивания сельскохозяйственных культур. Электрические свойства аэрозолей очень сильно отличаются от электрических свойств систем с жидкой средой, что объясняется резким различием плотностей и диэлектрических свойств газов и жидкостей. В газовой среде отсутствуют электролитическая диссоциация и ДЭС. Однако частицы в аэрозолях имеют электрические заряды, которые возникают при случайных столкновениях частиц друг с другом или с какой-нибудь поверхностью. Возможна также адсорбция ионов, образующихся при ионизации газов под действием космических, ультрафиолетовых и радиоактивных излучений. Для аэрозолей характерна крайняя агрегативная неустойчивость. Их длительное существование связано с высокой дисперсностью и малой концентрацией. Это значит, что устойчивость аэрозолей является лишь кинетической, термодинамические факторы устойчивости отсутствуют.

Как и любые дисперсионные системы, аэрозоли образуются двумя методами – конденсационным и диспергационным. К конденсационному методу относятся возникновение тумана при охлаждении насыщенного пара.

При диспергационных методах получения аэрозолей твердые или жидкие тела размельчают обычно механическим путем, а затем твердые частицы или жидкие капельки распределяются в газе. Например, пневматическое распыление жидкостей осуществляется с помощью аэрозольных баллончиков при получении парфюмерно-косметических аэрозолей, аэрозолей инсектицидов, эмалей.

Для аэрозолей характерны специфические процессы, связанные с их кинетическими свойствами: термофорез, фотофорез и термопреципитация. Явление термофореза заключается в движении частиц в направлении снижения температуры. Это объясняется тем, что более нагретую сторону частицы молекулы газа бомбардируют с большей скоростью, чем менее нагретую. Фотофорез заключается в передвижении частиц при одностороннем их освещении. Термофорез и фотофорез имеют большое значение в движении атмосферных аэрозолей, например при образовании облаков.

Термопреципитацияпредставляет собой осаждение частиц аэрозоля на холодных поверхностях за счет потери частицами кинетической энергии. Этим объясняется осаждение пыли на стенах и потолке около обогревательных приборов.

Роль аэрозолей в природе, промышленности и быту чрезвычайно велика. Например, влияние облаков и туманов на климат, перенос ветром семян и пыльцы растений, пневматические способы окраски и покрытие поверхностей распыленными металлами, применение распыленного топлива, внесение удобрений.

Аэрозоли нашли широкое применение в медицине и фармации. Стерильные аэрозоли в специальных упаковках типа баллонов применяются для стерилизации операционного поля, ран, ожогов; ингаляционные аэрозоли, содержащие антибиотики и другие лекарственные вещества, применяют для лечения дыхательных путей; аэрозоли локального применения используют вместо перевязочных средств; аэрозоли в виде клея применяют в хирургической практике для склеивания ран, кожи, бронхов, сосудов и т.д.

Суспензии.Суспензии – очень распространенные микрогетерогенные системы с жидкой средой твердой и твердой дисперсной фазой с размерами частиц выше, чем в коллоидных системах, т.н. в диапазоне 10^–6 – 10^–4 м. Наиболее грубодисперсные системы называют взвесями. К ним относятся глинистые, цементные и известковые «растворы», масляные краски.

Отличаясь от лиофобных коллоидов в основном только более низкой степенью дисперсности, суспензии, в принципе, могут быть получены как конденсационными, так и диспергационными методами. Однако на практике их получают путем диспергирования нерастворимых твердых веществ в жидкой среде или взмучиванием в этой среде предварительно полученного порошка.

Благодаря низкой степени дисперсности в суспензиях слабо проявляются или отсутствует такое молекулярно-кинетическое свойство, как броуновское движение, а значит и диффузия. Осмотическое давление, весьма слабо выраженное в лиофобных коллоидах, в суспензиях практически не обнаруживается, так как частичная концентрация в них еще меньше, чем в лоифобных коллоидах. Вязкость разбавленных суспензий мало отличается от вязкости дисперсионной среды. Высококонцентрированные суспензии (пасты) имеют свойства структурированных систем и характеризуются высокой вязкостью.

Суспензии не проявляют светорассеяния, и к ним неприменим закон Релея, так как размер частиц в суспензиях исключает возможность дифракции.

Вследствие низкой степени дисперсности суспензии являются кинетически не устойчивыми системами (они легко седиментируются), а для достижения агрегативной устойчивости необходимо выполнение по крайней мере одного из двух условий: 1) смачиваемость поверхности частиц дисперсной фазы дисперсной средой; 2) наличие стабилизатора. Добавляемый стабилизатор вводят в виде поверхностно-активных веществ, либо в виде высокомолекулярного соединения. Если стабилизатор отсутствует, но частицы суспензии хорошо смачиваются дисперсионной средой, то на их поверхности образуется сольватная оболочка, обладающая упругими свойствами и препятствующая соединению частиц в крупные агрегаты.

Эмульсии. Эмульсии – система, состоящая из двух жидких фаз, одна из которых диспергирована в виде капелек в другой. Жидкость, раздробленная на капельки, называется дисперсной фазой, а жидкость, заполняющая объем между капельками,- дисперсионной средой. Для существования устойчивой эмульсии необходимо, чтобы жидкости, образующие эмульсию, была практически взаимно нерастворимы или обладали достаточно малой растворимостью. Размер частиц дисперсной фазы эмульсий колеблется в пределах от 10^–7 до 10^–5м, и поэтому их можно отнести к микрогетерогенным системам.

Характерной чертой эмульсий является то, что в зависимости от условий возникновения любая из двух жидкостей, образующих дисперсионную систему, может оказаться как дисперсной фазой, так и дисперсионной средой. Наиболее частый случай – эмульсия воды (В) и нерастворимой в ней органической жидкости (например масло, бензол, хлороформ), которую условно называют маслом (М). Возможны два типа таких эмульсий: эмульсии в которых дисперсионной средой является масло, и эмульсии с водой дисперсной фазой. Первый тип эмульсий называют эмульсией масла в воде (сокращенно М/В) или эмульсиями первого рода (прямые). Второй тип – эмульсии воды в масле (В/М) или эмульсии второго рода (обратные).

Эмульсии получают методом механического диспергирования, хотя, в принципе, возможно использование и методов конденсации. Для диспергирования qприменяют различные мешалки, смесители, гомогенизаторы, коллоидные мельницы. Высокодисперсные эмульсии часто получают способом ультразвукового диспергирования.

В зависимости от концентрации дисперсной фазы различают эмульсии разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные. К разбавленным эмульсиям относят эмульсии, содержащие не больше 0,1% (об.) дисперсной фазы. Концентрированными считают эмульсии с содержанием дисперсной фазы не более 74% (об.), в которых сохраняется сферическая форма частиц. Эмульсии с содержанием дисперсной фазы больше 74% (об.) называют высококонцентрированными.

Эмульсии являются седиментационно неустойчивыми системами. Если дисперсная фаза и дисперсионная среда отличаются по плотности, то возможна седиментация (или всплытие) капель дисперсной фазы, т.е. нарушение однородности концентрации. Агрегативная неустойчивость эмульсий проявляется в самопроизвольном слиянии капелек в дисперсной фазе – коалесценция. Этот процесс может привести к разрушению эмульсии и разделению её на два жидких слоя.

Эмульсии, как и все микрогетерогенные системы, обладают большой поверхностью раздела фаз. Образование поверхности раздела всегда требует работы, и работа эта тем больше, чем выше поверхностное натяжение на этой поверхности. Поэтому легкость образования эмульсии и повышение ее устойчивости обеспечиваются введением веществ, которые адсорбируясь на границе раздела фаз, уменьшают поверхностное натяжение на ней. Такие вещества называются эмульгаторами.

Наряду с понижением поверхностного натяжения эмульгаторы могут стабилизировать эмульсию также и тем, что на поверхности раздела образуется компактная пленка из эмульгатора, обладающая известной механической прочностью. Такие пленки защищают частицы эмульсии от коалесценции. В отличие от суспензий этот фактор может быть более важным, чем создание на поверхности капелек электрических зарядов.

Рассмотрим подробнее механизм эмульгирования на примере эмульгатора в эмульсии М/В. Полярные (дифильные) молекулы эмульгатора (рис.7, глава 13) адсорбируются на поверхности капельки масла, растворяясь неполярными углеводородными радикалами в масле, а полярными группами в воде. В результате адсорбции эмульгатора поверхностное натяжение капли масла понижается, значит, значение поверхностной энергии уменьшается. В результате система становится устойчивее. Кроме того, образующаяся гидратная клетка прочно свяжет капельки масла с дисперсионной средой (в данном случае с водой), что будет препятствовать коалесценции.

Если в качестве эмульгатора используют молекулы, способные к диссоциации на ионы (например, мыло, представляющее собой смесь жирных кислот), то капелька масла зарядится отрицательно, что приведет к ещё большей стабильности эмульсии.

В качестве эмульгаторов могут быть использованы и твердые вещества, применяемые в виде порошка. В этом случае механизм эмульгирования связан со смачиваемостью порошка жидкостью, входящей в состав эмульсии, и с образованием вокруг капелек твердых прочных оболочек. Гидрофильные эмульгаторы, такие, как глина, мел, гипс, стабилизирую эмульсии типа М/В, а гидрофобные (порошок сажи) – эмульсии типа В/М.

Специфическим свойством большинства эмульсий является взаимное превращение эмульсий двух типов:

М/В↔В/М

Этот процесс, получивший название обращение фаз, приводит к тому, что дисперсная фаза данной эмульсии становится дисперсионной средой вновь образованной системы, а дисперсионная среда данной эмульсии – дисперсной фазой вновь образованной эмульсии. Осуществляется это введением поверхностно-активного вещества, которое стабилизирует обратный тип эмульсии. Например, эмульсию типа М/В, стабилизированную олеатом натрия, переводят в эмульсию В/М введением избытка олеата кальция. Эмульсию бензола в воде, стабилизированную мылом щелочного металла, превращают в эмульсию воды в бензоле прибавлением к ней при встряхивании небольшой массы хлорида кальция. Образующаяся при этом кальциевая соль мыла, хорошо растворимая в бензоле, стабилизирует эмульсию воды в бензоле.

Рис 7 Обращение эмульсий

Обращение эмульсии иногда может быть вызвано длительным механическим воздействием. Так, сбивание сливок (эмульсия типа М/В) приводит к получению масла (эмульсия типа В/М с малым содержанием воды в виде дисперсной фазы).

Биологическое значение эмульсий очень велико. Например, молоко и яичный белок представляет собой эмульсии типа М/В. Усвоение жиров в организме осуществляется через их эмульгирование под влиянием желчи. Млечный сок каучуконосных растений (латекс) также представляет собой эмульсию. Эмульсии находят широкое применение в промышленности: битумные эмульсии для асфальтирования, краски, «режущие эмульсии», используемые при обработке металлов.

Значение суспензий, эмульсий и суспензий в фармации заключается в том, что они входят в обязательный ассортимент лекарств, выпускаемых как по заводской технологии, так и по аптечной технологии. К ним относятся альбихоловая и нафталановая, масляные эмульсии, эмульсии для внутреннего применения; суспензии – линименты синтомициновый, стрептоцидовый, новоциллин и др.; взвеси лиофильных набухающих веществ (танальбин) и лиофобных веществ(камфоры, фенилсалицилата, ментола, серы и до.), пенные препараты против воспаления кожных покровов, ожогов и т.п