§ 2 Суспензиялар

Суспензия – қатты дисперстік фазаның сұйық дисперстік ортада таралған микрогетерогенді система. Ондағы қатты бөлшектердің өлшемі 0,1мкм < r < 10мкм. Егер бөлшектердің дисперстік дәрежесі төмен болса, онда оның радиусы үлкейіп, тұрақтылығы төмендейді де, тез тұнбаға шөгеді. Суспензиялардың дисперстілігін микроскоп, электронды микроскоп сияқты оптикалық немесе седиментациялық анализ көмегімен анықтауға болады. Суспензиялар да коллоидты ерітінділер сияқты конденсациялық немесе дисперсиялық тәсіл арқылы алынады. Осы процесс кезінде алынатын бөлшекті дисперстілік дәрежесі қажетті шекте болатындай етіп жүргізеді. Сондай-ақ, суспензиялар да коллоидты ерітінділер тәрізді өзінен өтетін жарықты шашыратады және жұтады, осы тұста ескертетін жай, жарық өткен коллоидтыт ерітінді мөлдір болып көрінеді. Оның электрокинетикалық қасиеттері коллоидты ерітіндінікіне ұқсас келеді. Сол секілді суспензиядағы бөлшектердің дзета-потенциалы зольдегімен шамалас. Егер суспензияға электролит енгізсе, онда оның ұю құбылысы байқалады. Кейбір жағдайда суспензияға беттік активті заттар немесе жоғары молекулалық қосылыстарды қосу арқылы оны тұрақтандыруға болады. Мұнда тиксотропия құбылысы коллоидты ерітіндідегіден артық.

Суспензиялардың табиғаттағы алар орны ерекше. Айталық, геологиядағы және жер қыртысындағы көптеген процестер суспензия құбылысымен байланысты: седиментациялық құбылыс салдарынан таутастан түрлі жыныстардың пайда болуы, өзен сулары арнасынан асқанда олар өзімен бірге көптеген сазды балшық пен құмды, қоқысты сыртқа шығарады және олар қоюлана келіп, қатты денеге айналады. Сол сияқты суспензиялар техникада да үлкен роль атқарады. Мысалы, табиғи не синтетикалық каучуктен резина алу үшін әуелі күкірттің каучуктегі суспензиясын дайындау керек; түрлі құрылыс және баспа бояулары олифа майында не органикалық еріткіштерде тұрақталған суспензия. Ал құрылыста жиі қолданылатын цемент пен ізбестің судағы «ерітінділері» де суспензия; саз балшықтың судағы суспензиясы керамика өңдірісінің негізгі шикізаты.

§ 3 Эмульсиялар

Жалпы сипаттама. Эмульсия – екі сұйықтың бір-бірінде еріген микрогетерогенді системасы. Эмульсиядағы дисперсті фаза да, дисперстік орта да бірдей агрегаттық күйде, аиап айтқанда сұйық коллоидты система екен. Егер мұндай системаларды бірі екіншісінде ерімейтін сұйықтар құрайтын болса, онда ұзақ уақыт сақталады.

Эмульсиялардағы дисперсті фазаны құрайтын шар тәрізді бөлшектердің өлшемі әр түрлі болады: кәдімгі көзге көрінетін бөлшектен бастап коллоидтық дәрежедегі дисперстілікке дейін эмульсиядағы дисперстік фазаның бөлшектері көбінесе 0,1–10,0 мкм аралығында болады. Сондықтан да оларды кәдімгі жай оптикалық микроскоп арқылы байқауға болады. Эмульсиялар да суспензиялар тәрізді табиғат пен өңдірісте кең таралған. Мысалы, сүт, жұмыртқаның сары уызы, құрамында дисперстелген суы бар мұнай, каучук өсімдіктерінің шырыны, салқын күйдегі металды өңдеуге қолданылатын техникалық эмульсиялар және басқалар. Полимер өңдірісінде эмульсиялық полимерлеу әдісі қолданылады. Егер полимер тек мономер басқа сұйықта еритін катализатормен тікелей түйіскенде ғана жүретін болса, онда осы шартқа сәйкес жағдай жасалады. Мұндайда өзінде катализаторы бар сұйықпен түйісетін мономердің беткі қабаты біраз артады да, оған орай болатын полимерлеу реакциясының жылдамдығы сонша есе артады.

Дисперстік ортаның ролін су атқарып, дисперстік фаза ретінде – майлар, минералды майлар, бензол, толуол және басқалар қолданылатын эмульсиялар жиі кездеседі. Суда ерімейтін сұйықтардың бәрін «май» деп атап, оларды М әрпімен, ал суды В әрпімен таңбалайды. Дисперстік фазаның аталуын бөлшектің алымына, ал дисперстік ортаны бөліміне жазады. Мысалы, майдың судағы эмульсиясы болып келетін кәдімгі сүтті, сол сияқты бензол немесе толуолдың да судағы эмульсияларын М/В деп белгілейді. Ал судың мұнайдағы және судың сары майдағы эмульсиялары В/М деп көрсетіледі.

Эмульсиялардың тұрақтылығы. Эмульсиялардың тұрақтылығы жайлы көптеген ғылыми-зерттеулер жүргізілген. Сүт тағамдарын сақтағанда, түрлі салқындатқыш сусындар мен балмұздақты даярлағанда эмульсиялардың тұрақтылығы ескеріледі. Кейбір жағдайларда эмульсия тұрақтылығы нашарлап, құрамындағы сұйық фазаларды жеке бөліп алуға тура келеді. Мысалы, мұнайды өңдеуден бұрын, оның құрамындағы эмульсиялық бөлшек ретінде таралған суды немесе табиғи каучукті, шырын құрамындағы суды бөлу қажет. Сол сияқты май мен судан тұратын сүттен сары майды, қаймақты бөліп алу үшін, әрине эмульсияны бұзады.

Эмульсиялардың кинетикалық тұрақтылығы ондағы бөлшектердің өлшемімен сипатталады. Эмульсиялардағы бөлшектердің өлшемі мен массалары коллоидты ерітіндегіден едәуір артық. Сондықтан да эмульсиялардың кинетикалық тұрақтылығын сипаттайтын бөлшек санының (концентрациясының) биіктікке қатынасы коллоидты ерітіндегіден үлкен. Көптеген эмульсиялардағы дисперсті фазаның тығыздығы дисперстік ортаның тығыздығынан аз болатынын ескерген жөн. Мұндайда эмульсиядағы бөлшектер тұнбаға түспестен, сұйық бетіне қалқып шығуға тырысады. Әрине, осындай кезде дисперстік фазадағы бөлшектердің концентрациясы оның төменгі жағынан гөрі жоғарысында артықтау болатыны даусыз. Мысалы, сүтті сақтағанда, әсіресе, қайнатқаннан кейін оның бетінде қаймақты қабат пайда болады.

Әдетте, эмульсиялардың дисперстілік дәрежесіне тәуелді болатын седиментациялық тепе-теңдік жағдайындағы ауысу жылдамдығы коллоидты ерітіндегіден артық. Эмульсиялардың тұрақтылық дәрежесі түрліше мәнде болады, олар агрегативті тұрғыдан тұрақсыз. Эмульсилық системаның өздігінен дисперстік фазаға жиналып, ондағы жанасу шегінің пайда болуы, шар тәрізді бөлшектердің біріне-бірі түйісіп жабысуы арқылы жүреді. Мұндай құрылысты коалесценция дейді. Демек, эмульсияның коалесценциясы ұюмен бірдей. Мысалы, сумен бензолдың бірдей мөлшерін алып, шайқап араластырса, эмульсия пайда болады. Егер оны шайқауды тоқтатса, бірте-бірте бензол мен судың ұсақ бөлшектері біріге келіп, екі қабатқа бөлінеді.

Эмульсия құрамына енетін фаза арасындағы жанасу шектегі беттік керілу жоғарылаған сайын, олардың агрегативтік тұрақсыздық дәрежесі артып, полярлілік дәрежесіндегі айырмашылық көбейеді. Жанасу шегіндегі беттік керілу айырмашылығы өте аз болатын екі сұйық фазаны тауып алуға болады. Мысалы, фенол мен су өзара бірі-бірінде шекті араласып ериді. Қалыпты жағдайда фенолдың судағы және фенолдағы ерітінділері құрамдары айтарлықтай өзгеше болады. Егер осы екі ерітіндіні алып, олардың температурасын жоғарлата бастаса, онда олардың құрамдық мөлшері біріне-бірі жақындай түседі де, жанасу шектегі беттік керілу азаяды. Осы қоспа кризистік температурада (65,5°С-та) бір-бірінде тең араласып ериді және осы сәтте олардың жанасу шегіндегі беттік керілу нөлге тең болады. Мұндай ерітінділерден пайда болған эмульсиялар термодинамикалық тұрғыдан алғанда өте тұрақты және бұл жай олардың агрегативті тұрақтылығын анықтайды.

Эмульсияларды агрегативті тұрақтылығына орай үлкен екі топқа бөледі: сұйытылған және концентрлі. Бүкіл эмульсия көлеміндегі дисперсті фазаның үлесі 0,1%-тен аспайтын болса, оны бірінші топқа, яғни сұйытылған эмульсиялар тобына жатқызады. Бұған бу машиналарындағы минералды майлардың конденсаттағы эмульсиясы мысал болады. Мұндай эмульсиядағы дисперстік фаза тамшысының бетінде адсорбцияланған иондардың болуы оны коалесценциядан сақтайды. Сондай-ақ, эмульсияның электрокинетикалық потенциалы айтарлықтай жоғары болса, онда мұндай жағдайда коалесценция процесі жүрмейді. Концентрленген эмульсияларда дисперстік фазаның көлемі үлкен болуы мүмкін. Монодисперсті эмульсиялардағы дисперсті көлемнің 74-ін алады. Бірақ, кейде мұндай эмульсиялар әрі полидисперсті, әрі дисперсті фазаны құрастыратын тамшылар түрлі күш әсерінен түрін өзгертіп, майысатындықтан, оның көлемі 99%-ке, кейде 99,9%-ке жетеді. Концентрлі эмульсиялар бөлшектің электр заряды болса да тұрақсыз болады. Эмульсиялардың тұрақтылығын арттырып, коалесценция құбылысын болдырмау үшін оларға эмульгатор деп аталатын заттар қосады. Эмульгатор ретінде молекула құрамындағы полюсті және полюссіз тобы айқын көрінетін беттік активті заттар мен жоғары молекулалық қосылыстар қолданылады. Мысалы жоғары молекулалық қосылыс өкілі – белок сұйық фазаның кішкене тамшысының беткі қабатына адсорбцияланады және ол осы сәтте екі жақты байланыстыратын жұқа қабықша түзеді. Ал мұндай қорғаушы қабықшасы жоқ өзге тамшылар бірімен-бірі түйіскенде тез бірігеді, яғни коалесценция құбылысы жүреді. Ендеше, сольватты қабат пен кішкене тамшы арасындағы жұқа қабықша оларды өзара бірігіп, коалесценцияланудан сақтайды. Эмульсиядағы шар тәрізді тамшы үстіне адсорбцияланған беттік активті заттардың молекулалары өздерінің полюсті жағымен полюссіз сұйыққа, ал полюссіз жағымен полюсті сұйыққа бағытталып орналасады. Мұның нәтижесінде тамшы үстінде екі өлшемді, құрылымдық кристалл тәрізді қабықша пайда болады. Бұған кәдімгі сабын көбікшелері мысал болады. Суды қаншама көпіртсе де, сабын болмаса ондай көбік тұрақсыз және сол сәтте-ақ жойылады. Ал, сабын көбігінен түрлі өлшемдегі шар үрлеуге болады және олар едәуір механикалық әсерге шыдайды.

Әдетте М/С тектегі эмульсияны гидрофилді, ал С/М тектегіні олеофилді эмульгаторлармен тұрақтандырады. Тұрақтандыру механизмі қатты ұнтақ көмегімен тұрақтандырудан айқын байқалады: гидрофилді ұнтақты екі сұйық қоспасымен араластырғанда ондағы түйіршіктер олардың жанасу шегіндегі беткі қабатқа орналасады және сужақсы жұғысқандықтанол сол су жағына орналасады. Егер ұнтақ гидрофобты болса, онда ол маймен жұғысып сол майлы жаққа тартылады ( төмендегі сурет).

Май

Су

Су

б)

Су

Май

Май

а)

Су-май эмульсия типі

Май-су эмульсия типі

11-сурет.

Суретте гидрофилді ұнтақтың эмульсиядағы жанасу шекке адсорбциялануы кескінделген: а) М/С тектегі, б) С/М тектегі эмульсиялар. Бұдан ұнтақ түйіршіктері өз сипатына сәйкес жанасу шегіндегі беткі қабатқа орналасып, тамшыны қоршайды ( а-сурет) және оны басқамен біріктірмейді. Демек, мұндай ұнтақтар су тамшысын коалесценциядан қорғамайды екен (б-сурет). Олай болса, мұндағы су тамшылары өзара жолыққанда оңай бірігеді де үлкейе түседі, ал гидрофобты ұнтақтар керісінші В/М тектегі эмульсияларды тұрақтандырады.

Эмульсиялардың бұзылуы мен айналуы

Эмульгатор көмегімен тұрақтандырылмаған сұйық эмульсияларды бұзу үшін, оларға шамалы ғана элек-тролит қосса жеткілікті, осы кезде эмульсияның электроки-нетикалық потенциалы төмендеп, ол оңай бұзылады. Мысалы, бу машинасында пайда болатын конденсатты эмульсияны бұзу үшін, оған алюминий сульфатын AI₂(SO₄)₃ қосады. Мұндағы май тамшысының зарядын анықтайтын кері ион ролін алюминий немесе сульфат иондары атқарады. Кейде, эмульсияларды бұзу үшін оған беттік активті заттарды деэмульгатор ретінде қосады. Күнбағыс майы мен суға гидрофилді тұрақтандырғыш ас тұзын қосып шайқаса, М/В тектегі ақ түсті сұйықтық эмульсия түзіледі. Гидрофилді ас тұзының орнына гидро-фобты кальций хлоридін қосса, В/М тектегі ашық сары түсті, тұтқыр эмульсия пайда болады. Егер осындай ас тұзымен тұрақтандырылған М/В тектегі эмульсияға кальций хлориді мен ас тұзының сәйкес 5 : 1 мөлшерін қосса, ондаэмульсия В/М тектегі эмульсияға айналады. Ал, кальций хлориді мен ас тұзы мөлшері сәйкес 4 : 1 болса, онда эмульсия тұрақсыз болады. Мұндай майдың орташа тамшысындасудың бірнеше түйіршіктері пайда болады Онан әрі осы судың әрбір тамшысында май түйіршіктері пайда боуы мүмкін.

Берілген эмульсия тегін анықтаудың бірнеше тәсілі бар. Айталық, берілген эмульсия үлгісінде суда жақсы еритін, мысалы, метиленді көк бояуын қосады. Егер эмульсия М/С текті болса, онда микроскоп арқылы қарағанда судың көк бояуымен қатар майдың түссіз тамшысы көрінеді. Ал егер С/М тектегі эмульсия болса, онда түссіз май тамшысының тұсында судың көк бояуы байқалады. Мұндацда судың барлық тамшыларының бояла беруі шарт емес. Сондай-ақ эмульсия тегін анықтау үшін он ың электрөткізгіштігін өлшеуде қолданылады. М/В тектегі эмульсиялар электр тогын өткізеді, өйткені ондағы үзіліссіз фаза су. Ал үзіліссіз фазасы май болатын В/М тектегі эмульсиялар электр тоғын өткізбейді.

Эмульсиялар бір-бірінде ерімейтін сұйықтықтардың ірі дисперсті қоспалары. Бұл типтегі системаларда бір сұйықтық дисперсионды орта ролін атқарса, екіншісі біріншісіндеөте ұсақ бөлшектер түрінде таралып,дисперсті фаза ролін атқарады. Эмульсиялар табиғаттакөп таралған. Мыс, мұнай, түрлі шырындар, сүт, сары май, маргарин, қаймақ және т.б.

Әдетте, судағы май типтес эмульсиялар майдағы су типтес эмульсияларға қарағанда электр тогын әлдеқайда жақсы өткізеді.Құрамындағы дисперсті фазаның мөлшеріне байланысты эмульсияларды тағы да үш топқа бөледі: 1) сұйық эмульсиялар, 2) концентрациялы эмульсиялар, 3) жоғарғы концентрациялы эмульсиялар.

Сұйық эмульсиялардың дисперсті фазасының концентрациясы 0,1%-ке дейін болады. Концентрациялы эмульсиялардың дисперсті фазасының концентрациясы 75% дейін болады. Бұл типтегі эмульсиялар микрогетерогенді және дисперсті бөлшектерін микроскоппен оңай көруге болады.Жоғарғы концентрациялы эмульсияларды желатиналанған эмульсиялар деп те атайды. Олардың дисперсті фазаларының тамшылары күшті деформацияланған. Шар типтес тамшылар деформациялану нәтижесінде көп қырлы болып келеді. Ондай бөлшектер тығыздалып орналасуға бейім болып келеді. Сол себепті де жоғарғы концентрациялы эмульсияларда дисперсті фаза мөлшері 99% дейін болады. Желатиналанған эмульсиялар қаттылау болады: өз формасын сақтап, аққыштығы өте төмен болады. Оларға сары май, маргарин, майонез жәнет.б жатқызуға болады.

Эмульсиялардың тұрақтылығын арттыу үшін қолданылатын заттарды стаблизатор немесе эмульгаторлар деп атайды. Эмульгатор ретінде көптеген анорганикалық және органикалық қосылыстар қолданылады. Мыс, судағы май (М\С) типтес эмульсиялар үшін CaCO₃, Ca(SO)₄, Fe(OH)₃, SiO₂, саз, желатина, казеин, крахмал, декстрин, сілтілік металдардың тұздары және бояулар қолданылса, ал майдағы су (С\М) типтес эмульсиялар үшін PbO PbS, күйе, смолалар, каучук, көп валентті металдардың сабындары эмульгатор ретінде қолданылады. Қатты эмульгаторларға қарағанда жоғары молекулалы қосылыстардың және сабындардың эмульгаторлық әсері мол. Эмульсияға эмульгаторды қосқанда олар эмульсия тамшыларына адсобцияланып, беттік керілісін кемітеді. Және сонымен қатар тамшылардың бетінде берік адсорбциялық қабат (пленка) түзеді. Нәтижесінде эмульсия тамшылары өзара бірікпейді яғни коалесценцияға ұшырамайды. Эмульсия тамшыларының өзара бірігіп, системаның жеке фазаға жіктелуін коалесценция деп атайды.

Кейбір жағдайларда эмульсияның бір түрін екінші түріне айналдыруға болады. Олүшін эмульсия тұрақтылығын арттыру үшін қолданылатын эмульгатор табиғатын өзгерту керек. Мыс, судағы май (М\С) типтес эмульсиясы үшін эмульгатор ретінде натрий олеаты қолданылады. Ал егер осы эмульсияға аз-аздап кальций хлоридін қосатын болсақ, кальций олеаты түзіледі де , оның эмульгаторлық әсері натрий олеатына қарама-қарсы болады. Системаға CaCL₂ қосу барысында май мен су жартылай жіктеліп, қайтадан тұрақты система-майдағы су (С\М) типтес эмульсия пайда болады. Бұл құбылысты эмульсия фазаларының айналуы деп атайды. Фазалардың айналуын эмульгаторлармен алмастырумен қатар эмульсияны ұзақ уақыт шайқау арқылы да іске асыруға болады. Мыс, қаймақты қозғап шайқау арқылы май алуға болады. Бұл кезде судағы (май типтес эмульсия (қаймақ) майдағы су типтес эмульсияға (майға) айналады.

Эмульсия тұрақтылығын жоюдың практикалық маңызы үлкен. Тұрақтылығын жоюдың үш жолы бар: 1) химиялық жою; 2) механикалық әсер ету арқылы жою, 3) термиялық жою. Мысалы, сүттің майлылығын анықтағанда, оның эмульгаторын күкірт қышқылымен жоюға болады: қаймақ, кілегейді шайқап араластыру нәтижесінде май алу; май күйдіру т.б.

Эмульсияны алу үшін бір сұйықтықты екінші сұйықтықта дисперстейді: қатты шайқау, араластыру, кейбір жағдайларда ультрадыбыс әсеріменде алады.

Эмульсиялардың халық шаруашылығында, тамақ өнеркәсібінде, косметикалық тауарлар өндіруде маңызы үлкен.