Продукты питания животного происхождения

Б2.Б.4 ОСНОВЫ ОБЩЕЙ И НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Модуль 2 Дисперсные системы

направление подготовки бакалавра

Продукты питания из растительного сырья

Продукты питания животного происхождения

Уфа - 2013

УДК

Рекомендовано к изданию методической комиссией

факультета пищевых технологий

(протокол №_______ от «______» ________________________ 2013 г.)

\

Составитель: доцент Ганиева Е.С.

Рецензент:

доцент кафедры химии Шабаева Г.Б..

Ответственный за выпуск:

заведующий кафедрой химии профессор Исламова Р.М.

Модуль 2 Дисперсные системы

Дисперсная система (ДС) – это система, в которой хотя бы одно вещество находится в раздробленном состоянии.

ДС имеет два характерных признака: гетерогенность и дисперсность. Гетерогенность означает, что система состоит как минимум из двух фаз, причем одна из фаз раздроблена. Это дисперсионная фаза. А другая, сплошная среда, в которой находится раздробленная дисперсная фаза, дисперсионная среда.

Для характеристики ДС используются три величины:

1. Поперечный размер частиц – d, см, м.

2. Дисперсность (раздробленность) – Д – величина, обратная поперечному разделу частиц, cм^-1, м^-1

3. Удельная поверхность S_уд – это межфазная поверхность (S_1,2), приходящаяся на единицу объема (V) дисперсной фазы или ее массы (m),, cм^-1, м^-1, см²×г^{-1, м2}×кг^-1.

Классификация по агрегатному состоянию фаз была предложена Вольфгангом Оствальдом.

Агрегатное состояние ДФ	Агрегатное состояние ДСр	Условное обозначение ДФ/ДСр	Название системы	примеры
г	г	г/г	аэрозоли	атмосфера Земли
ж	г	ж/г	туман, слоистые облака
тв	г	тв/г	дымы, пыли, перистые облака
г	ж	г/ж	газовые эмульсии, пены	мыльная пена, лечебный кислородный коктейль, пивная пена
ж	ж	ж/ж	эмульсии	молоко, масло сливочное, маргарин, кремы
тв	ж	тв/ж	лиозоли, суспензии	лиофобные коллоидные растворы, суспезии, пасты, краски и т.д.
г	тв	г/тв	твердые пены	пемза, твердые пены, активированный уголь, хлеб
ж	тв	ж/тв	твердые эмульсии	природные минералы с жидкими включениями
тв	тв	тв/тв	твердые золи	сталь, чугун, цветные стекла

В зависимости от размера частиц дисперсной фазы ДС классифицируются на: 1) Грубодисперсные системы, d ³ 10^{-3 см;}

1) Микрогетерогенные системы, 10 ^-5 £ d £ 10 ^-3 см;

2) Коллоидно-дисперсные системы или коллоидные растворы,

10 ^-7 £ d £ 10 ^-5 см;

3) Истинные растворы, d ³ 10^-7 см.

Самую большую удельную поверхность имеют частицы дисперсной фазы в коллоидных растворах.

Классификация по взаимодействию дисперсной фазы и дисперсионной среды (по межфазовому взаимодействию) пригодна только для систем с жидкой дисперсионной средой. Г. Фрейндлих предложил подразделить ДС на два вида:

1) Лиофобные – в них ДФ не способна взаимодействовать с ДСр, а следовательно, и растворяться в ней. К ним относятся коллоидные растворы, микрогетерогенные системы;

2) Лиофильные – в них ДФ ввзаимодействует с ДСр и при определенных условиях способна в ней растворяться. К ним относятся растворы коллоидных ПАВ и растворы ВМС.

Определить к какой системе – микрогетерогенной, коллоидной, истинной – относится раствор можно по его оптическим свойствам. Белый свет (дневной, солнечный) полихроматичен, длина волны меняется от 4 × 10^-5 см (фиолетовый свет) до 7 × 10^-5 см (красный свет). Прохождение света наблюдается для прозрачных систем, в которых частицы гораздо меньше длины волны падающего света. Это характерно для истинных растворов. Преломление и отражение наблюдается для систем, в которых частицы дисперсной фазы значительно больше длины волны падающего света. Визуально это выражается в мутности этих систем и характерно для микрогетерогенных и грубодисперсных систем. Рассеяние света (опалесценция) наблюдается для систем, в которых частицы дисперсной фазы меньше, но соизмеримы с длиной волны падающего света. Такое соотношение выполняется для коллоидных растворов.

В курсе общей химии мы познакомимся с коллоидными растворами и с некоторыми микрогетерогенными системами и подробно изучим свойства истинных растворов.

Лабораторная работа №1.

Получение и свойства дисперсных систем.

Цель работы: 1)получить различными методами дисперсные системы; 2) познакомиться с некоторыми свойствами дисперсных систем.

Задачи: 1) получить методом диспергирования микрогетерогенные системы: пену, эмульсию; 2) определить тип эмульсии: м/в или в/м; 3) определить кратность пены; 4) методом конденсации получить золь гидроксида железа, золь берлинской лазури; золь серы; золь канифоли; 5) убедиться в оптических свойствах дисперсных систем; 6) методом капилляризации определить заряд коллоидной частицы; 7) изучить коагуляцию коллоидных систем.

Все дисперсные системы могут быть получены двумя методами: методом диспергирования или методом конденсации. Метод диспергирования основан на дроблении или измельчении крупных частиц до агрегатов нужного размера. Метод конденсации основан на укрупнении (объединении) молекул и ионов до частиц более крупного размера.

Пены ( г/ж ) – это грубодисперсные высококонцентрированные системы, в которых дисперсной фазой являются пузырьки газа, а дисперсионной средой – жидкость в виде тонких пленок. Пены имеют сотообразную структуру: пузырьки газа полиэдрической формы отделены друг от друга тонкими прослойками жидкости. Классификация пен основывается на такой важной характеристике, как кратность пены , которая показывает, сколько объемов пены можно получить из одного объема жидкости:

,

где V_п – объем пены;

V_ж – объем жидкости, которая использована для образования пены.

Если £ 10, то пены называют жидкими, их используют в строительстве.

Если 10 £ £ 20, то такие пены используют в прачечных.

Пены с кратностью 70 £ £ 90 используют в пожаротушении.

Если ³ 10, то пены относятся к сухим.

Установлено, что образование сколько – нибудь устойчивой пены в чистой жидкости невозможно. Пену можно получить только в присутствии специального вещества - пенообразователя.

Эмульсии ( ж/ж) – это дисперсные системы, состоящие из двух несмешивающихся жидкостей, одна из которых (дисперсная фаза) распространена в другой (дисперсионной среде) в виде мельчайших капелек.

Различают эмульсии первого рода или прямые (М/В – масло в воде) – неполярные жидкости распределены в полярной жидкости. Эмульсии второго рода или обратные (В/М – вода в масле) – полярные жидкости распределены в неполярной жидкости. Тип эмульсии можно легко определить методом смешивания и методом окрашивания непрерывной среды. Для стабилизации эмульсий используют эмульгаторы. Разбавленные эмульсии по своим свойствам близки к лиофобным золям (тв/ж).

Частицы лиофобных золей имеют мицеллярное строение.

Мицелла в целом электронейтральная частица и состоит из:

а) электронейтрального ядра, представляющего собой микрокристалл или агрегат молекул низкомолекулярных соединений (например, mFe(OH)₃, где т = 20…500);

б) адсорбционного слоя, в который входят с большим суммарным количеством зарядов потенциалопределяющие ионы и с меньшим суммарным количеством зарядов – противоионы (например, пFeO⁺(n – x)Cl^-, где nFeO⁺ – потенциалопределяющие ионы, (n – x)Cl^- -противоионы);

Потенциалопределяющие ионы определяются правилом Панета – Фаянса: на поверхности твердой частицы избирательно адсорбируются (концентрируются) только те ионы, которые способны достроить ее кристаллическую решетку.

в) диффузного слоя, включающего в себя такое дополнительное количество противоионов, которое необходимо для полной нейтрализации зарядов, имеющихся в мицелле, потенциалопределяющих ионов (например, xCl^-).

Рисунок 1 Схема строения мицеллы гидрозоля Fe(OH)₃

Таким образом, вокруг ядра находится двойной электрический слой, один слой которого образован потенциалопределяющими ионами FeO⁺, а другой – противоионами Cl^¯. Одна часть противоионов Cl^¯ находится в адсорбционном слое, а другая часть – в диффузном слое (рисунок 1).

Формула мицеллы золя гидроксида железа:

{(mFe(OH)₃)nFeO⁺(n – x)Cl^-)}^x+xCl^-

Та часть мицеллы, которая находится внутри фигурных скобок, называется гранулой. Гранула представляет собой компактную частицу, состоящую из ядра и ионов адсорбционного слоя.

Знак заряда частицы можно определить методом капилляризации.

Для коллоидных систем различают 2 вида устойчивости:

а) агрегативная устойчивость – способность частиц коллоидной системы оказывать сопротивление их слипанию и тем самым удерживать определенную степень дисперсности дисперсной фазы;

б) кинетическая устойчивость – способность частиц дисперсной фазы удерживаться во взвешенном состоянии под действием броуновского движения.

Агрегативная устойчивость обусловлена:

– наличием у гранул одноименных зарядов;

– наличием диффузного слоя вокруг гранул, который не позволяет им объединится при их сближении.

При изменении условий коллоидная система сначала теряет агрегативную устойчивость – происходит укрупнение частиц дисперсной фазы, затем – кинетическую устойчивость (частицы выпадают в осадок или всплывают на поверхность). Подобное изменение состояния коллоидной системы, приводящее к укрупнению частиц дисперсной фазы, называется коагуляцией.

Коагуляцию можно вызвать путем добавления электролитов в коллоидную систему.

Влияние знака и величины заряда коагулирующего иона определяется правилом Шульце-Гарди: коагулирующим действием обладает лишь тот ион, который имеет заряд, противоположный заряду гранулы, причем его коагулирующая способность выражается тем сильнее, чем выше заряд иона. Порог коагуляции – это минимальное количество электролита (ммоль-экв), которое вызывает явную коагуляцию 1 л золя.