2.9. 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. Emulsjami są na przykład mleko, margaryna, krem nawilżający, mleczko do demakijażu.

Już wiesz: 

  • jaką budowę ma cząsteczka wody i jakie są konsekwencje jej budowy;
  • co to są koloidy i jakie mają właściwości;
  • jak działają substancje powierzchniowo czynne;
  • co to są detergenty i jakie mają właściwości oraz jakie jest ich zastosowanie.

Nauczysz się: 

  • 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 alkohol, po zmieszaniu tworzą roztwór właściwy (rzeczywisty), w którym nie ma granicy między jedną cieczą a drugą. Inne ciecze, jak np. olej i woda, nie mieszają się, lecz tworzą dwie oddzielne warstwy. Dzieje się tak dlatego, że cząsteczki oleju nie mogą pokonać sił, którymi wiążą się polarne cząsteczki wody.

Doświadczenie 2.9.1.

Problem badawczy:  
Czy można spowodować mieszanie się oleju i wody?
Hipoteza: 
Cząsteczki wody mają budowę polarną, a cząsteczki oleju są niepolarne. Olej i woda mieszają się tylko w obecności substancji powierzchniowo czynnej, np. płynu do mycia naczyń.
Co będzie potrzebne: 
  • probówki z korkami,
  • bagietka szklana,
  • woda,
  • olej,
  • płyn do mycia naczyń.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Do probówki wlej ok. 3 cm3 oleju i taką samą objętość wody.
  2. 2.
    Wstrząśnij energicznie probówką. Obserwuj zachodzące zmiany.
  3. 3.
    Do drugiej probówki wlej ok. 3 cm3 oleju i taką samą objętość wody oraz dodaj kilka kropel płynu do mycia naczyń.
  4. 4.
    Wstrząśnij probówką. Obserwuj zachodzące zmiany.
  5. 5.
    Porównaj wygląd mieszanin w obydwu probówkach.
Podsumowanie: 
Po zmieszaniu oleju i wody utworzyła się mieszanina niejednorodna (dwie oddzielne warstwy ciekłe).
Po wytrząsaniu oleju i wody w obydwu probówkach widoczne były kropelki oleju zawieszone w wodzie. Po chwili w pierwszej probówce olej i woda rozdzieliły się ponownie, utworzyły dwie warstwy (nazywane także w emulsjach fazami).
W drugiej probówce, z dodatkiem płynu do mycia naczyń, zmieszane ciecze nie rozdzieliły się ponownie.
W trakcie mieszania wody i oleju dochodzi do rozproszenia (dyspersji) kropel oleju w całej objętości wody – tworzy się emulsja. 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 – olej (o mniejszej gęstości) na górze, woda na dole. Dodanie płynu do naczyń, tzw. emulgatora, powoduje utrwalenie emulsji.
Emulsje są to układy składające się z niemieszających się cieczy, przy czym jedna ciecz jest rozproszona w drugiej w postaci drobnych kropelek. Woda jest zazwyczaj jedną fazą (warstwą), natomiast drugą stanowi ciecz niemieszająca się z wodą, 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 10-7do 10-9 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.
Budowę emulsji można scharakteryzować przez wzajemny układ faz i ich objętościowe stosunki. Ze względu na wzajemny układ faz wyróżnia się dwa rodzaje emulsji typu woda w oleju w/o i typu olej w wodzie o/w.
Wyróżnia się też emulsje wielofazowe – charakteryzujące 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.
Emulgatory są związkami powierzchniowo czynnymi, o właściwościach hydrofobowo-hydrofilowych, tworzącymi warstwę molekularną na powierzchni kropelek rozproszonej cieczy. Emulgatorami są na przykład mydła, detergenty, estry alkoholi wielowodorotlenowych oraz takie substancje naturalne, jak żelatyna, agar-agar, lanolina, lecytyna, guma arabska.

Ciekawostka

Lecytyna to emulgator, który znalazł szerokie zastosowanie w przemyśle spożywczym i kosmetycznym. Głównym jej źródłem są oleje roślinne. Czysta lecytyna stabilizuje emulsje typu o/w, natomiast nieoczyszczona, zawierająca inne substancje towarzyszące, może utrwalać emulsje typu w/o.

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.
Tabela 1. Podział emulsji kosmetycznych ze względu na skład
Typ emulsjiZawartość fazy rozproszonejZastosowanie
O/W20–30%
(poniżej 20–30% fazy olejowej)
kremy nawilżające, podkładowe, balsamy do ciała, maseczki, dezodoranty, niektóre odżywki do włosów
O/W> 20–30%
(powyżej 20–30% fazy olejowej)
kremy, kremy na noc, lekkie kremy pod oczy, mleczka, niektóre odżywki do włosów
W/O20–40%
(20–40% fazy wodnej)
kremy tłuste, na noc, pod oczy, kremy uniwersalne, ochronne, mleczka do demakijażu

Krem kosmetyczny

Najprostszy krem składa się z tłuszczu, wody i emulgatora. Często krem zawiera więcej niż jeden emulgator, gdyż zapewnia to lepszą stabilność i daje pewność, że nie będzie się rozwarstwiał. Niektóre emulgatory są jednocześnie hydrofobowe i hydrofilowe. Służą zdrowiu i zdrowemu wyglądowi, np. lecytyna, lanolina, cholesterol.

Doświadczenie 2.9.2.

Problem badawczy:  
Jak rozpoznać i określić typ emulsji kosmetycznej?
Hipoteza: 
Typ emulsji można rozpoznać, badając, jak rozcieńcza się ona w wodzie, a jak w oleju.
Co będzie potrzebne: 
  • probówki,
  • cylinder miarowy,
  • woda destylowana,
  • olej parafinowy,
  • mleczko kosmetyczne, krem nawilżający lub inne emulsje kosmetyczne.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Do jednej probówki wlej 10 cm3 oleju parafinowego, a do drugiej probówki – 10 cm3 wody destylowanej.
  2. 2.
    Do każdej probówki dodaj kilka kropli mleczka kosmetycznego.
  3. 3.
    Wymieszaj dokładnie zawartość probówek (poprzez energiczne wytrząsanie lub za pomocą bagietki szklanej). Obserwuj zachodzące zmiany.
  4. 4.
    Czynności powtórz w przypadku 1–2 g kremu nawilżającego oraz innych badanych emulsji kosmetycznych.
Podsumowanie: 
Jeżeli dodana emulsja kosmetyczna dokładnie rozprasza się w oleju parafinowym, tworząc jednorodną emulsję, a w wodzie nie ulega rozproszeniu, jest emulsją typu woda w oleju (w/o).
Jeżeli dodana emulsja kosmetyczna nie rozprasza się w oleju parafinowym, a w wodzie ulega rozproszeniu, tworząc jednorodną emulsję, jest emulsją typu olej w wodzie (o/w).

Ciekawostka

Kosmetyki

Informacje o składzie kosmetyków

Skład kosmetyków podawany jest zgodnie z zasadami INCI, czyli ang. International Nomenclature of Cosmetic Ingeadients. W tym systemie stosuje się angielskie nazewnictwo związków chemicznych oraz nazwy łacińskie roślin, a także ich skróty i uproszczenia.
Według zaleceń z 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 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:
    • O/W (olej w wodzie) – fazą rozproszoną jest olej, fazą rozpraszającą jest woda, np. mleko;
    • W/O (woda w oleju) – woda jest substancją rozproszoną, a olej fazą rozpraszającą, np. margaryna.
  • Nie można otrzymać trwałej emulsji bez dodatku emulgatora, który łączy ciecze hydrofobową i hydrofilową. Są to środki powierzchniowo czynne, których budowa sprawia, że układają 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.

Praca domowa

Polecenie 2.9.1.

Problem 1.
Zapoznaj się z recepturą otrzymywania kremu typu w/o i oblicz udział procentowy (masowy) fazy wodnej i tłuszczowej w tym kremie:
Receptura: Krem tłusty lanolinowy
  • wazelina 3,00 g,
  • lanolina 0,50 g,
  • olej parafinowy 1,50 g,
  • olej roślinny 2,00 g,
  • wosk pszczeli 0,50 g,
  • boraks 0,03 g,
  • kwas cytrynowy (konserwant) 0,01 g,
  • woda destylowana 2,46 g,
  • kompozycja zapachowa q.s.*
*q.s. (z łac. quantum satis – ile wystarczy) oznacza, że ilość potrzebnego składnika farmaceuta ustala według zaleceń lub własnego doświadczenia.
WYKONANIE:
  1. 1.
    W szklanym naczyniu odważyć odpowiednie ilości wazeliny, lanoliny oraz oleju parafinowego i roślinnego, dodać naważkę wosku pszczelego.
  2. 2.
    Naczynie z fazą tłuszczową (1–5) umieścić w łaźni wodnej ogrzewanej do temperatury 70–75°C i pozostawić, aż do momentu całkowitego stopienia stałych składników.
  3. 3.
    W oddzielnym naczyniu, w odpowiedniej ilości wody destylowanej rozpuścić boraks i kwas cytrynowy; otrzymany roztwór ogrzać do temperatury 70°C (pod przykryciem).
  4. 4.
    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).

Wskazówka

Przeczytaj uważnie sposób wykonania kremu i zastanów się, które z jego składników wchodzą w skład (rozpuszczają się) jednej, a które – drugiej fazy.
Problem 2.
Wyobraź sobie, że chcesz zrobić prezent osobie, która bardzo ceni sobie obecność naturalnych składników w kosmetykach. Wiesz też, że najbardziej ucieszyłaby się z dobrego kremu do twarzy. Wyszukaj na etykietach domowych kosmetyków lub w Internecie informacje o składzie kilku wybranych kremów do twarzy i posługując się danymi zawartymi w tabeli, sprawdź, czy zawierają emulgatory pochodzenia naturalnego, czy emulgatory syntetyczne.
Tabela 2. Często stosowane w kosmetykach emulgatory naturalne i syntetyczne
Emulgatory syntetyczneEmulgatory pochodzące z naturalnych surowców
Propylene glycolCetearyl alcohol
PEG-8 myristateCetearyl wheat bran glycosides
PEG-30 glyceryl cocoateCetearyl wheat straw glycosides
PEG-80 glyceryl cocoateDecyl glucoside
PEG-15 soyamide/IPDI copolymerJojoba
Sorbitan stearate (laurate, palmitate, oleate itp.)Lecithin
Steareth-20Sucrose cocoate
Triethanolamine (TEA)Vegetable glycerin
CarbomerXanthan gum
L PEG-40 sorbitan peroleateBeeswax
CarboxymethylcelluloseCandelilla
PEG-150 stearateCarnauba
Ceresin 
Diethanolamine (DEA) 
Isopropyl stearate (laurate, palmitate, oleate itp.) 
Polysorbate 20 
Polysorbate 60 
Polysorbate 80 
Potassium hydroxide 

Zobacz także

Gimnazjum lekcja o koloidach

Słowniczek

Definicja

emulsja –
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

Definicja

faza rozproszona –
inna nazwa to faza zdyspergowana, jest w emulsjach odpowiednikiem substancji rozpuszczonej

Definicja

faza rozpraszająca –
inna nazwa to faza dyspersyjna, pełni rolę rozpuszczalnika w emulsjach i innych roztworach koloidalnych

Definicja

emulgatory –
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 emulsji, emulgatorami są na przykład detergenty

Zadania

Zadanie 2.9.1.

Zadanie 2.9.2.

Zadanie 2.9.3.

Bibliografia

    Read The Label: Emulsifiers, 10 czerwca 2014, dostępne w Internecie: http://www.theecologist.org/green_green_living/behind_the_label/269662/read_the_label_emulsifiers.html