Hoá học công nghiệp và ứng dụng

Chất hoạt động bề mặt, nhũ hoá

Cách phân tử lưỡng ưa làm giảm sức căng liên pha, tập trung ở bề mặt phân cách và ổn định các hệ phân tán hữu ích.

1 THCS 2 THPT 3 Đại học 4 Nâng cao 5 Nghiên cứu

Trực giácVì sao dầu và nước có thể cùng tồn tại trong hỗn hợp

Chất hoạt động bề mặt có một phần tương hợp với nước và một phần tương hợp với dầu. Ở ranh giới dầu–nước, mỗi phần hướng vào môi trường phù hợp, giúp tạo giọt dễ hơn và hạn chế chúng nhập lại.

Phổ thôngTính lưỡng ưa và hình dạng phân tử

Định nghĩa: Chất hoạt động bề mặt

Chất hấp phụ tại bề mặt phân cách và làm thay đổi năng lượng tự do trên một đơn vị diện tích. Nhiều chất thông dụng là phân tử lưỡng ưa, gồm đầu ưa nước và đuôi kỵ nước.

Tương quan giữa diện tích nhóm đầu và thể tích đuôi ảnh hưởng độ cong ưu tiên. Hình dạng phân tử là chỉ dẫn hữu ích nhưng chưa đủ để dự đoán; mức hydrat hoá, muối, nhiệt độ và hỗn hợp cũng quan trọng.

Đại họcSự hấp phụ làm giảm sức căng liên pha

Tạo bề mặt phân cách đòi hỏi năng lượng tự do. Chất hoạt động bề mặt thay thế một phần tiếp xúc bất lợi, làm giảm chi phí năng lượng trên mỗi diện tích. Khi khuấy, việc tạo giọt nhỏ trở nên thuận lợi hơn, nhưng vẫn cần năng lượng cơ học.

\Delta G = \gamma \Delta A

Ở đây $\gamma$ là sức căng liên pha, còn $\Delta A$ là diện tích được tạo ra. Giảm $\gamma$ làm giảm phần năng lượng tự do phải trả, nhưng tự nó không bảo đảm hệ bền lâu.

Đại họcMixen và nồng độ mixen tới hạn

Trên khoảng nồng độ gọi là nồng độ mixen tới hạn (CMC), chất thêm vào ngày càng đi vào các tập hợp như mixen thay vì làm nồng độ đơn phân tăng tương ứng. CMC phụ thuộc cấu trúc phân tử, nhiệt độ, chất điện li và các chất tan khác.

Ghi chú lịch sử

Việc làm xà phòng từ mỡ và tro được ghi trên các bảng đất sét Babylon từ khoảng năm 2800 TCN, và đầu thế kỉ XIX, Michel Eugène Chevreul giải thích sự xà phòng hoá bằng cách xác định axit béo và glixerol. Công trình của Irving Langmuir về các đơn lớp không tan trên mặt nước vào thập niên 1910 cho thấy phân tử lưỡng tính định hướng với đầu ưa nước chìm trong nước và đuôi kị nước hướng ra ngoài, và ông nhận Giải Nobel Hoá học năm 1932 cho hoá học bề mặt. Chất tẩy rửa tổng hợp dựa trên ankyl sunfat xuất hiện ở Đức sau Thế chiến I, và năm 1949 thang HLB của William Griffin đưa ra quy tắc thực tiễn để chọn chất nhũ hoá.

Irving Langmuir

Nâng caoChọn chất nhũ hoá cho sản phẩm

Nhũ tương dầu trong nước phân tán giọt dầu trong pha nước liên tục; nhũ tương nước trong dầu thì ngược lại. Loại cần dùng phụ thuộc mục đích, cảm quan, hoạt chất và quy trình. Cân bằng ưa nước–ưa dầu (HLB) là công cụ chọn lựa thực nghiệm, không phải quy luật phổ quát.

Các nhóm chất hoạt động bề mặt thường gặp
Nhóm	Đặc điểm thường gặp
Anion	Đầu tích điện; thường tẩy rửa tốt
Không ion	Không mang điện hình thức; thường ít nhạy với ion gây độ cứng
Cation / lưỡng tính	Được chọn theo tính tương hợp và chức năng bề mặt đặc thù

Nâng caoĐộ ổn định không chỉ là giọt nhỏ

Phân lớp kem là chuyển động giọt do trọng lực; kết bông gom giọt nhưng chưa nhập; hợp giọt làm chúng nhập lại; chín Ostwald chuyển vật chất từ giọt nhỏ sang giọt lớn. Màng liên pha, độ nhớt và phân bố kích thước giọt chi phối các cơ chế hỏng khác nhau này.

Nghiên cứuBiên giới nghiên cứu

Tài liệu tham khảo

Surfactants and Interfacial Phenomena · M. J. Rosen, J. T. Kunjappu, 2012
Food Emulsions: Principles, Practices, and Techniques · D. J. McClements, 2015