Что представляют собой суспензия и эмульсии в химии? Как их описывают?
Содержание:
На нашей планете многие вещества существуют в виде дисперсных систем. Дисперсные системы – это гетерогенная система, которая состоит из двух и более фаз. Одна фаза должна быть мелко раздроблена и равномерно распределена в другой сплошной фазе.
Характеристика дисперсных систем
Дисперсные системы состоят из двух систем:
Дисперсионная среда и дисперсная фаза могут существовать в различных агрегатных состояниях.
Дисперсная фаза
Дисперсионная среда
Примеры
Лекарственные препараты часто представлены в виде суспензий и эмульсий, которые также являются дисперсными системами. В суспензиях в качестве дисперсионной среды выступает жидкость, а дисперсной фазы – твердые частицы. Эмульсии – это жидкая среда, в которой равномерно распределены жидкие капли другой фазы.
Что такое суспензии в химии
Суспензии обладают агрегативной неустойчивостью, т. е. низкой способностью противостоять укрупнению частиц фазы. Частицы в суспензиях, несмотря на свою мизерность, достаточно крупны, чтобы оказывать противостояние броуновскому движению. Они сравнительно быстро всплывают или выпадают в осадок. Суспензии достаточно неустойчивы.
Примеры суспензий в химии:
Что такое эмульсии в химии
Эмульсии бывают прямыми и обратными. Прямые эмульсии образуются в том случае, если в полярной среде распределяются капли неполярной жидкости (масло в воде). Обратные эмульсии формируются при распределении в неполярной среде полярных частиц вещества (вода в масле). Эмульсии обладают небольшой устойчивостью.
В зависимости от состава дисперсной фазы и дисперсионной среды могут быть прямые и обратные эмульсии.
В разбавленных эмульсиях концентрация дисперсной фазы невелика, поэтому их свойства не отличаются от свойств дисперсионной среды.
Стремление поверхностной энергии к минимуму, вследствие подвижности жидкой границы раздела, приводит к самопроизвольному снижению поверхности раздела фаз. По этой причине капли разбавленных и концентрированных эмульсий приобретают шарообразную форму.
Устойчивость эмульсий
Устойчивость эмульсий зависит от ряда причин : поверхностного натяжения, свойств и структуры граничных слоев.
Повышения устойчивости лиофобных эмульсий достигают введением веществ эмульгаторов, способных стабилизировать эмульсии.
Эмульгаторы могут быть гидрофобные и гидрофильные.
SHAPE \* MERGEFORMAT
Рис.14.1. Адсорбция молекул ПАВ в прямых (а) и обратных (б) эмульсиях.
Эти же вещества в эмульсиях обратного типа адсорбируются на внутренней поверхности капель воды (14.1, б), образующийся адсорбционный слой не является препятствием для слипания капель. Поэтому стабилизацию обратных эмульсий нужно производить с помощью ПАВ, которые лучше растворяются в масле, чем в воде.
Ориентация адсорбционного слоя ПАВ происходит в соответствии с правилом уравнивания полярности Ребиндера:
Соотношением между гидрофильными и гидрофобными частями молекул ПАВ определяется:
1.Эффективность эмульгатора. Гидрофильные свойства определяются взаимодействием полярных групп молекул ПАВ с водой. Гидрофобный радикал обуславливает взаимодействие между неполярной цепью ПАВ и маслом. Лиофильное взаимодействие ПАВ и масла будет гидрофобным по отношению к воде.
Уравновешивание гидрофильного и лиофильного взаимодействий называется гидрофильно-липофильным балансом (ГЛБ). То есть определенное оптимальное соотношение действия воды и масла на молекулы ПАВ определяет условия образования адсорбционного слоя на границе раздела двух жидкостей.
ГЛБ = ( b + y n )/а (14.1)
Действие адсорбционных слоев ПАВ, экранирующих границу раздела фаз, зависит от свойств ПАВ и жидкостей, образующих эмульсию. Прочные адсорбционные слои образуют белки, углеводы, имеющие слабую поверхностную активность.
Роль эмульгаторов могут выполнять порошки. Действие порошков эмульгаторов обеспечивается особым положением частиц порошка на границе раздела двух жидких фаз.
Получение и разрушение эмульсий
Эмульсии могут образовываться самопроизвольно или получаться искусственно в результате диспергирования или гомогенизации.
Самопроизвольное эмульгирование характерно для лиофильных систем и определяется минимальным значением межфазового поверхностного натяжения.
Механическое диспергирование жидкостей достигается перемешиванием, встряхиванием или вибрацией. Эффективность повышается в присутствии эмульгаторов.
Разрушение эмульсий происходит самопроизвольно или под действием деэмульгаторов. Самопроизвольное разрушение характерно для лиофобных эмульсий. Деэмульгирование происходит в результате фазового перехода дисперсионной среды или дисперсной фазы. Например, при нагревании капли дисперсной фазы могут испариться и эмульсия перейдет в пену.
С увеличением кратности пены растет диаметр пузырьков.
Межфазовое поверхностное натяжение пен определяется свойствами жидкости и газовой среды. Если эти свойства не изменяются, то поверхностное натяжение будет величиной постоянной. При уменьшении энергии Гиббса начинается самопроизвольное разрушение пен.
В пене происходит контакт пузырьков, разделенных слоем жидкости. При осуществлении контакта четырех пузырьков одного размера возникает неустойчивое равновесие, которое нарушается и переходит в устойчивое равновесие трех пузырьков.
Пленки жидкости между пузырьками, образуют треугольники Плато (рис.14.2)
Разрушению пены способствует укрупнение пузырьков пены. Этот процесс происходит в результате диффузии газов из мелких пор в более крупные и за счет прорыва слоя жидкости между пузырьками.
Коллоидно-химические и физико-химические свойства пен
1.Электроосмос и потенциал течения.
2.Поглощение и рассеяние света.
3.Капиллярное давление внутри пузырьков.
Устойчивость и получение пен
Основной параметр, характеризующий агрегативную устойчивость пен, является скорость уменьшения в единице объема пены удельной поверхности или увеличение размера пузырьков.
На практике оценку агрегативной и седиментационной устойчивости пен проводят при помощи коэффициента устойчивости Ку:
Пенам придают устойчивость ПАВ.
Для получения пен и для придания им устойчивости применяют пенообразователи. Два типа пенообразователей:
2.Мыла и синтетические ПАВ.
Факторы, определяющие устойчивость пен :
На практике иногда нужно исключить пенообразование. Для разрушения образующейся пены применяют механические, физические и химические способы.
Эмульсии — особый вид дисперсных систем, дисперсная фаза и дисперсионная среда являются взаимонерастворимыми жидкостями, это системы Ж/Ж.
Свойства эмульсий
В зависимости от состава дисперсной фазы и дисперсионной среды могут быть прямые и обратные эмульсии.
Прямые эмульсии типа М/В — дисперсия масла в воде.
Обратные эмульсии типа В/М — дисперсия воды в масле. Пример прямой эмульсии — молоко, пример обратной эмульсии — маргарин, нефть.
В зависимости от концентрации раздробленной фазы эмульсии могут быть разбавленными (0,1%), концентрированными (0,1% — 75%), высококонцентрированными (свыше 75 %).
В разбавленных эмульсиях концентрация дисперсной фазы невелика, поэтому их свойства не отличаются от свойств дисперсионной среды.
Стремление поверхностной энергии к минимуму, вследствие подвижности жидкой границы раздела, приводит к самопроизвольному снижению поверхности раздела фаз. По этой причине капли разбавленных и концентрированных эмульсий приобретают шарообразную форму.
При концентрации дисперсной фазы свыше 75% наблюдается деформация жидкости, обрамляющей капли дисперсной фазы, ее сферичность нарушается, а эмульсия приобретает новые свойства. Подобные эмульсии образуют структуру — маргарин.
Устойчивость эмульсий
Эмульсии могут быть лиофильными и лиофобные. Лиофильные — термодинамически устойчивы и образуются самопроизвольно путем диспергирования массы жидкости до капель.
Большинство эмульсий относится к лиофобным системам — они термодинамически неустойчивы, не могут образовываться самопроизвольно, существовать длительное время, нуждаются в стабилизации. Разрушение и потеря агрегативной устойчивости происходит в несколько стадий. Первая — контакт по крайней мере двух капель. Вторая — образование агрегатов.
Устойчивость эмульсий зависит от ряда причин : поверхностного натяжения, свойств и структуры граничных слоев.
Повышения устойчивости лиофобных эмульсий достигают введением веществ эмульгаторов, способных стабилизировать эмульсии.
Эмульгаторы могут быть гидрофобные и гидрофильные.
Гидрофильные эмульгаторы — ПАВ. Стабилизируют прямые эмульсии. Полярные радикалы образующегося на границе раздела фаз адсорбционного слоя ПАВ находятся на наружной стороне капель масла, препятствуя их сближению (рис. 14.1, а)
Рис.14.1. Адсорбция молекул ПАВ в прямых (а) и обратных (б) эмульсиях.
Эти же вещества в эмульсиях обратного типа адсорбируются на внутренней поверхности капель воды (14.1, б), образующийся адсорбционный слой не является препятствием для слипания капель. Поэтому стабилизацию обратных эмульсий нужно производить с помощью ПАВ, которые лучше растворяются в масле, чем в воде.
Ориентация адсорбционного слоя ПАВ происходит в соответствии с правилом уравнивания полярности Ребиндера:
полярная группа молекул ПАВ обращена к полярной жидкости, а неполярный радикал — к неполярной.
Соотношением между гидрофильными и гидрофобными частями молекул ПАВ определяется:
1.Эффективность эмульгатора. Гидрофильные свойства определяются взаимодействием полярных групп молекул ПАВ с водой. Гидрофобный радикал обуславливает взаимодействие между неполярной цепью ПАВ и маслом. Лиофильное взаимодействие ПАВ и масла будет гидрофобным по отношению к воде.
2.Поверхностная активность. Для короткоцепочечных ПАВ преобладает гидрофильное взаимодействие, в результате которого молекулы втягиваются в воду. Длинноцепочечные молекулы ПАВ — гидрофобное взаимодействие.
Уравновешивание гидрофильного и лиофильного взаимодействий называется гидрофильно-липофильным балансом (ГЛБ). То есть определенное оптимальное соотношение действия воды и масла на молекулы ПАВ определяет условия образования адсорбционного слоя на границе раздела двух жидкостей.
ГЛБ — эмпирическая безразмерная величина:
ГЛБ = ( b + y n )/а (14.1)
где n — число групп СН2 в углеводородном радикале, y — свободная энергия взаимодействия в расчете на одну СН2 группу, b — безразмерный параметр, зависящий от природы ПАВ, а — сродство полярной группы молекулы ПАВ к воде.
Действие адсорбционных слоев ПАВ, экранирующих границу раздела фаз, зависит от свойств ПАВ и жидкостей, образующих эмульсию. Прочные адсорбционные слои образуют белки, углеводы, имеющие слабую поверхностную активность.
Роль эмульгаторов могут выполнять порошки. Действие порошков эмульгаторов обеспечивается особым положением частиц порошка на границе раздела двух жидких фаз.
Получение и разрушение эмульсий
Эмульсии могут образовываться самопроизвольно или получаться искусственно в результате диспергирования или гомогенизации.
Самопроизвольное эмульгирование характерно для лиофильных систем и определяется минимальным значением межфазового поверхностного натяжения.
Механическое диспергирование жидкостей достигается перемешиванием, встряхиванием или вибрацией. Эффективность повышается в присутствии эмульгаторов.
Для получения и стабилизации эмульсий используют гомогенизацию — продавливание жидкостей через отверстия.
Разрушение эмульсий происходит самопроизвольно или под действием деэмульгаторов. Самопроизвольное разрушение характерно для лиофобных эмульсий. Деэмульгирование происходит в результате фазового перехода дисперсионной среды или дисперсной фазы. Например, при нагревании капли дисперсной фазы могут испариться и эмульсия перейдет в пену.
Способ разрушения эмульсий — обращение фаз, то есть, например, превращение прямой эмульсии в обратную. Обращение фаз осуществляется при определенных условиях: наличие высококонцентрированных эмульсий, механическое воздействие, присутствие эмульгаторов.
Существуют различные критерии, по которым происходит распределение эмульсий на виды. Вот некоторые из основных критериев:
С опорой на эти и некоторые другие пункты учёные выделили два основных вида эмульсий:
Прямые эмульсии
Образовываются в ходе диспергирования в полярной воде неполярной жидкости. Самым ярким примером является подсолнечное масло в воде.
Более предпочтительными эмульгаторами для этого вида эмульсий являются всевозможные мыла. Они адсорбируются на поверхности капель, уменьшают поверхностное натяжение, а так же повышают механическую прочность.
Инвертные эмульсии
Такие эмульсии обратны прямым и относятся к типу «вода в масле».
Эмульгаторами для этого вида являются нерастворимые соли жирных кислот, к ярким примерам которых относятся кальциевые, алюминиевые и магниевые.
Устойчивость эмульсии во времени:
Этот параметр – устойчивость во времени – может быть выражен двумя формами:
– скоростью, с какой эмульсия расслаивается. Смесь оставляют на определенное время и после появления двух разных слоев измеряют высоту либо объем слабополимерной фазы;
– временем, которое «живут» отдельные капли. Используется метод наблюдения под микроскопом, где капля слабополимерной жидкости помещается на самую границу составляющих, а после фиксируется время, требующееся для их слияния.
На практике чаще используется первый метод, как менее затратный и более простой.
Диспергационные способы и методы получения эмульсий:
Механический метод. Заключается в непосредственном воздействии на выбранные жидкости для их равномерного смешивания путем дробления более крупных частиц на мелкие. Это может быть классическое смешивание, энергичное встряхивание, гомогенизация и прочее.
Применение ультразвука. Методика заключается в воздействии на смеси высоких частот (20-50 кГц), поэтому подразумевает наличие специализированного оборудования.
. Сложный, но наиболее часто применяемый метод, обладающий рядом преимуществ. При его использовании вещество, подлежащее дроблению, помещается в специальный сосуд, который венчает капиллярная воронка. Последняя соединяется с источником тока (положительный заряд). Сам сосуд подлежит заземлению при помощи помещения в колбу с круглым дном, где присутствует заземленный электрод. В колбу помещается жидкость, которая в будущей эмульсии будет выступать дисперсной средой, а сама смесь образуется методом соединения капель, истекающих из воронки, под воздействием электрического тока.
АЭРОЗОЛИ
Аэрозоли — дисперсные системы, в которых частицы дисперсной фазы находятся во взвешенном состоянии. Дисперсионная среда — газ, дисперсная фазы — твердая.(Т/Г).
Эмульсии. Определение, классификация, технология приготовления.
Эмульсия – однородная по внешнему виду жидкая лекарственная форма, состоящая из взаимно нерастворимых тонкодиспергированных жидкостей, предназначенная для внутреннего, наружного или парентерального применения. Эмульсии стабилизированы эмульгаторами. Официнальная лекарственная форма ГФ XI стр. 161.
Является гетерогенной системой. Одна из жидкостей находится в виде мельчайших капель — дисперсная фаза; другая жидкость, в которой эти капли распространены — дисперсионная среда.
Эмульсии могут быть типа масло/вода и вода/масло. Для приготовления эмульсий используют:
При отсутствии обозначения масла в эмульсии используют персиковое, оливковое или подсолнечное масло.
При отсутствии указаний о концентрации для приготовления 100 г эмульсии берут 10 г масла. Выбор эмульгатора и его количество зависят от природы и свойств эмульгатора и масла, а также от концентрации эмульсии.
Эмульсии предназначены в основном для маскировки неприятных органолептических или раздражающих свойств некоторых веществ. Назначение масла или масляного раствора лекарственных веществ в виде эмульсий ускоряет их действие. Жиры интенсивно гидролизуются ферментами ЖКТ.
Достоинства эмульсии:
Недостатки эмульсии:
Классификация эмульсий
Масляные эмульсии агрегативно неустойчивы из-за избытка свободной поверхностной энергии на границе раздела масло-вода. Происходит слияние капель масла – коалесценция, а затем расслаивание. Поэтому для масляных эмульсий необходим стабилизатор, который называется эмульгатором.
Эмульгаторы — вещества, стабилизирующие систему из двух несмешивающихся жидкостей и способствующих эмульгированию, они обеспечивают агрегативную устойчивость системы.
Классификация эмульгаторов.
По химической структуре выделяют три группы.
Чаще всего в аптечных условиях используют желатозу.
Тип эмульсии определяется свойствами эмульгатора. Если эмульгатор растворим лучше в воде, чем в масле, то дисперсионная среда — вода; дисперсная фаза — масло. Если растворим в масле лучше, то дисперсионная среда — масло, дисперсная фаза — вода.
Тип эмульсии можно установить с помощью нескольких проб:
В случае необходимости в состав эмульсии вводят консерванты (нипагин, нипазол, сорбиновая кислота и др.), разрешенные к медицинскому применению.
Эмульсии готовят диспергированием эмульгатора с эмульгируемой жидкостью и водой; при необходимости эмульсии процеживают.
Готовят эмульсии по массе.
Технология приготовления эмульсии
Подготовительная
Введение веществ в состав эмульсий
Лекарственные вещества вводят с учетом физико-химических свойств:
2. Получение первичной эмульсии (3 способа)
1 способ:
В сухой ступке при растирании смешивают эмульгатор и масло с водой (по правилу Дерягина: воды необходимо взять 1/2 от суммы массы масляной фазы и эмульгатора), тщательно растирают до появления характерного потрескивания — это признак готовности первичной эмульсии.
2 способ:
Эмульгатор растирают с водой, рассчитанной для образования первичной эмульсии, затем постепенно при тщательном перемешивании добавляют масляную фазу.
3 способ:
В ступке растирают эмульгатор и смесь масла и воды, быстро растираем до характерного потрескивания. N.B. Движение пестика в одну сторону.
3. Разбавление первичной эмульсии водой или водным раствором ЛВ
Небольшими порциями добавляют воду или водный раствор лекарственных веществ. Водный раствор предварительно профильтровать!
Расчет количества воды для разбавления:
М (общ. ЛФ) — все составляющие — эмульгатор — количество воды для первичной эмульсии
4. Фильтрование
При необходимости через двойной слой марли.
5. Измельчение и смешивание с готовой эмульсией веществ, вводимых по типу суспензии
6. Упаковка и оформление
Отпускают во флаконах из темного стекла плотно-укупоренных. Этикетка «Перед употреблением взболтать», «Хранить в прохладном месте»
7. Оценка качества
Письменный, органолептический, при отпуске.
Выборочные виды контроля: опросный, физический, химический.
8. Хранение
Не более трех суток, при повышении/понижении температуры ускоряется расслаивание, не допускается замораживание.
Если не указана концентрация эмульсии, готовят 10% эмульсию, т.е. для приготовления 100,0 берут 10,0 масла или 10,0 очищенных семян.
Примеры рецептурных прописей.
Rp.: Emulsii oleosi 100,0
M.D.S. По 1 чайной ложке 3 раза в день
Т.к. не указана концентрация, готовим 10% эмульсию. Т.к. не указано масло, то берем персиковое.
Камфора растворим в масле при температуре 40 градусов.
ППК (оборотная сторона):
М(масл.фаза) = 10 г (персик.масла) + 1 г (камфоры) = 11 г
М(желатозы) = 5,5 г (1/2 от масл.фазы)
Сумма масл.фазы и желатозы = 11+5,5 = 16,5г
V(воды) — необходимо взять 1/2 от этой массы = 16,5/2 = 8,25 мл
Т.к. это эмульсия, то определяем общую массу: М (эмульсии) = 100+1 = 101 г
V воды для разбавления первичной эмульсии: 101 г — (10+1+5,5+8,25) = 76,25 мл
Технология:
В ступке растираем 5,5 г желатозы, добавляем при растирании 8,25мл воды и раствор камфоры в масле (приготовили в фарфоровой чашке на водяной бане при t=40: 10г масла + 1г камфоры). Затем первичную эмульсию разбавляем рассчитанным количеством воды. Переливаем в отпускной флакон. При необходимости процеживаем через марлю.
Rp.: Olei Ricini 10,0
Amyli q.s. ut fiat emulsum 100,0
M.D.S. По 1 десертной ложке 3 раза в день.
ППК (оборотная сторона)
М (эмульгатора-крахмала) = 10/2 = 5г
V (воды) = 100 — 50 г (крахмальный клейстер) — 10г (масла) = 40 мл
Технология приготовления:
Из 5 г крахмала готовят 10% раствор: в фарфоровой чашке отмеривают 40мл воды, нагревают до кипения, добавляют смесь 5 г крахмала + 5мл холодной воды. Полученную смесь нагревают при постоянном помешивании до кипения. Остужаем и к полуостывшей массе при тщательном растирании добавляем 10 г масла. Первичную эмульсию разбавляем оставшимся количеством воды.
Rp.: Emulsii Olei ricini 100,0
Phenilii salicylatis 1,0
M.D.S. По 1 чайной ложке 5 раз в день.
ППК (оборотная сторона)
М (касторого масла) = 10 г (10% от 100 г)
Масса (масл.фазы) = 10 + 1 = 11 г
М (желатозы) = 11/2 = 5,5 г
Технология приготовления:
Для приготовления эмульсии из 10 г подогретого касторового масла; 5,5 г желатозы и 10 мл воды готовим первичную эмульсию. Затем при растирании добавляем в растертый порошок фенилсалицилат. Разбавляем водой до требуемой массы.
Recipe:Coffeini Natrii Benzoatis 1,0
Extracti Belladonnae 0,15
Emulsii oleosi 200,0
M.D.S. По 1 столовой ложке 3 раза в день.
Выписана жидкая лекарственная форма для внутреннего применения, микстура эмульсия (концентрированная типа м/в).
Проверить дозы кофеина и экстракта красавки.
Готовят по массе, методом диспергирования. Эмульсию готовят 10%, т.к. не указана концентрация масла. Можно использовать оливковое, персиковое, подсолнечное. Лекарственные вещества вводят в соответствии с их растворимостью:
Ментол – растворим в масле (растворяют в масле).
Кофеина натрия бензоат – растворим в воде (растворяют в воде).
Экстракт красавки густой добавляют в виде раствора 1:2 каплями в соответствии с надписью на этикетке в последнюю очередь.
ППК (оборотная сторона)
Технология:
Готовят масляный раствор. В фарфоровой чашке на водяной бане растворяют в масле ментол.
Готовят водный раствор. В подставке в 154 мл воды растворяют кофеин бензоат натрия. Раствор фильтруют во флакон оранжевого стекла.
Приготовление первичной эмульсии. В большую ступку помещают желатозу и 15 мл воды, растирают до растворения желатозы, далее по каплям добавляют раствор ментола в масле. Эмульгируют движениями пестика по спирали в одну сторону до характерного потрескивания до тех пор, пока весь масляный раствор не будет заэмульгирован.
Из флакона частями при перемешивании добавляют раствор кофеина бензоата натрия.
Готовую эмульсию переносят во флакон известной массы. Если необходимо, то добавляют воды.
Очистку проводят при необходимости. Флакон укупоривают. Оформляют: «Внутреннее. Микстура», «Беречь от детей», «Хранит а прохладном, защищенном от света месте», «Перед употреблением взбалтывать».
