Emulsioni e schiume: mescolare ciò che non si mescola

La maionese, il latte, le creme cosmetiche, molte vernici e farmaci sono emulsioni: miscele di liquidi che, da soli, non si mescolerebbero mai. La panna montata, la schiuma della birra, le mousse sono schiume: liquidi che intrappolano aria. Entrambe sono sistemi dispersi instabili per natura, tenuti insieme dalla chimica delle superfici. Saperli formare e stabilizzare è un’arte industriale di enorme valore.

Vediamo che cos’è un’emulsione, come si stabilizza, perché tende a separarsi e che cosa sono le schiume.

Che cos’è un’emulsione

Un’emulsione è una dispersione di un liquido in un altro liquido con cui non è miscibile, sotto forma di goccioline finissime. I due casi tipici sono l’emulsione olio-in-acqua (O/A), in cui goccioline d’olio sono disperse nell’acqua (come nel latte o nella maionese), e l’emulsione acqua-in-olio (A/O), il caso opposto (come nel burro o in molte creme). Quale dei due si forma dipende dalle proporzioni e, soprattutto, dal tipo di emulsionante usato.

Perché serve un emulsionante

Creare un’emulsione significa creare un’enorme superficie di contatto tra i due liquidi (tutte le goccioline), e quindi un’enorme energia superficiale. Per questo le emulsioni sono instabili: il sistema “vorrebbe” ridurre la superficie facendo riunire le goccioline e separare i due liquidi. L’emulsionante (un tensioattivo) impedisce o rallenta questo processo: si dispone all’interfaccia tra le goccioline e il mezzo, abbassando la tensione interfacciale e formando una barriera (fisica e spesso elettrica) che impedisce alle goccioline di fondersi.

Come si destabilizza un’emulsione

Le emulsioni invecchiano e si rompono attraverso diversi meccanismi, utili da conoscere sia per stabilizzarle sia, all’opposto, per separarle quando serve. Nel creaming (affioramento) le goccioline, più leggere o più pesanti del mezzo, migrano in alto o in basso senza ancora fondersi — è la panna che affiora nel latte. Nella flocculazione le goccioline si aggregano in fiocchi. Nella coalescenza le goccioline si fondono in gocce più grandi, passo decisivo verso la separazione completa. La velocità di affioramento è descritta dalla legge di Stokes:

v = 2 r² (ρ_p − ρ_m) g9 η

che mostra come goccioline più piccole (r piccolo) e un mezzo più viscoso (η alto) rallentino la separazione: ecco perché le emulsioni stabili si fanno con goccioline finissime e mezzi viscosi.

Per ottenere goccioline davvero piccole serve fornire energia meccanica: è il ruolo dell’omogeneizzazione. Mulini colloidali, omogeneizzatori ad alta pressione e sonicatori frantumano le gocce in dimensioni micrometriche o inferiori, aumentando enormemente la stabilità. Spingendo ancora più in basso le dimensioni si arriva alle microemulsioni, sistemi trasparenti e termodinamicamente stabili (a differenza delle emulsioni comuni, che sono solo cineticamente stabili), molto usate in farmaceutica e cosmetica. La combinazione di emulsionante adatto e processo di omogeneizzazione è ciò che distingue un’emulsione che dura mesi da una che si separa in poche ore.

Le schiume

Una schiuma è una dispersione di bolle di gas in un liquido (o in un solido), separate da sottili film liquidi. Come le emulsioni, le schiume hanno un’enorme superficie e sono instabili: i film tendono a drenare e a rompersi. Anche qui i tensioattivi sono fondamentali, perché stabilizzano i film e prolungano la vita della schiuma. Le schiume sono volute in molti prodotti (detergenti, alimentari, antincendio, materiali espansi) e indesiderate in molti processi industriali (fermentazioni, distillazioni, verniciatura), dove si combattono con antischiuma.

Perché conta nella pratica

Emulsioni e schiume sono al centro di interi settori. Nell’alimentare (latte, salse, gelati, creme), nella cosmetica (creme, lozioni), nella farmaceutica (emulsioni iniettabili, pomate), nelle vernici e negli adesivi, nell’agrochimica. Saper formulare un’emulsione stabile — scegliere l’emulsionante con l’HLB giusto, controllare la dimensione delle goccioline, prevedere creaming e coalescenza — è una competenza chiave del formulatore. All’opposto, in molti processi serve rompere emulsioni indesiderate (per esempio separare acqua e olio nei reflui o nel petrolio) o controllare le schiume con antischiuma. Capire la chimica di questi sistemi permette di passare dal tentativo casuale alla formulazione razionale.

Un’emulsione si può stabilizzare anche senza tensioattivi, usando particelle solide: sono le emulsioni di Pickering.

Domande frequenti

Che cos’è un’emulsione?

È una dispersione di un liquido in un altro con cui non è miscibile, sotto forma di goccioline finissime, stabilizzata da un emulsionante. Può essere olio-in-acqua (come il latte e la maionese) o acqua-in-olio (come il burro). È un sistema instabile che, senza emulsionante, tenderebbe a separarsi.

Perché un’emulsione ha bisogno di un emulsionante?

Perché disperdere un liquido nell’altro crea un’enorme superficie di contatto e quindi molta energia: il sistema tende a ridurla facendo riunire le goccioline. L’emulsionante (un tensioattivo) si dispone all’interfaccia, abbassa la tensione interfacciale e crea una barriera che impedisce alle goccioline di fondersi, stabilizzando l’emulsione.

Che cos’è l’HLB?

È il bilancio idrofilo-lipofilo (Hydrophilic-Lipophilic Balance), un numero che indica quanto un tensioattivo è più affine all’acqua o all’olio. Valori alti favoriscono emulsioni olio-in-acqua, valori bassi acqua-in-olio. È uno strumento pratico per scegliere l’emulsionante adatto al tipo di emulsione da formulare.

Perché un’emulsione si separa nel tempo?

Attraverso meccanismi come il creaming (le goccioline affiorano o sedimentano), la flocculazione (si aggregano) e la coalescenza (si fondono in gocce più grandi). La legge di Stokes mostra che goccioline più piccole e mezzi più viscosi rallentano la separazione: per questo le emulsioni stabili hanno goccioline finissime.

Come si elimina una schiuma indesiderata?

Con agenti antischiuma, sostanze (spesso siliconiche) che destabilizzano i film liquidi tra le bolle facendoli rompere. Le schiume sono un problema in molti processi industriali (fermentazioni, distillazioni, verniciatura), dove rallentano le operazioni o causano traboccamenti, e vanno controllate con dosaggi mirati di antischiuma.