pH – nie takie straszne

Parametr pH. Owiany tajemniczością, winowajca srogich rozwarstwień oraz wichrzyciel snów o pięknym, jedwabnym kremie. Większość z nas zapewne zdaje sobie sprawę, że istnieje coś takiego jak pH roztworu i jest ono ważne dla utrzymania stabilności naszej emulsji. Dla niektórych mottem życiowym mogło by być „chociaż spróbuje je uregulować”, co nie jest błędem, chwali się to nawet, ale może lepiej wiedzieć po co w ogóle to robimy? Czy wiemy jak zrobić to porządnie? Czy wiemy, po co, tak naprawdę, regulujemy pH prócz wpasowania się w widełki pH emulgatorów? Dzisiaj postaram się uwidocznić i odczarować trochę ten plastyczny temat.

pH jest parametrem bezwymiarowym, standardowo występuje w zakresie 0-14 (oczywiście są wyjątki, bo 14-stopniowa skala jest używana tylko w standardzie), pH 7 oznacza roztwór neutralny, zazwyczaj jest to czysta woda. Tutaj pierwsza uwaga: pH mierzymy tylko w środowisku wodnym, czyli w całej fazie wodnej kremu, zarówno tej podstawowej, jak i dodatkowej (faza C). Najlepiej mierzyć je i regulować w środowisku bez „śmieci”, czyli bez dodatku substancji, które nie mają wpływu na pH, ale mogą zaburzać pomiar. Tutaj nadmienię tylko, że pomiar pH w fazie C, gdzie mamy hydrolat, mocznik i np. olej konopny, będzie już dosyć ciężki, właśnie z uwagi na obecność oleju.

Wróćmy do samego pH. Wszystko poniżej pH 7 ma charakter kwasowy, a wszystko powyżej pH 7 – zasadowy. Samo pH jest niczym innym, jak wyrażeniem minusowego logarytmu ze stężenia jonów H+ oraz OH-. Jony H+ pochodzą z dysocjacji (rozpadu w środowisku wodnym) kwasów. Np. kwas solny HCl po dodaniu do wody H2O (tak, tak, pamiętaj chemiku młody wlewaj zawsze kwas do wody) całkowicie rozpada się na „malutkie jony” → otrzymujemy tym samym jon chlorkowy Cl- oraz taki dziwny twór jak H3O+. To w nim ukrył się nasz oderwany H+ dając tzw. jon hydroniowy, czyli uwodniony kation wodorowy: H2O oraz H+. Jony OH- pochodzą najczęściej od wodorotlenków, a konkretniej ich wodnych roztworów zwanych zasadami, tutaj kłania się nasz ŁUG. To właśnie jony, a raczej ich powstawanie w roztworach, daje nam konkretny odczyn pH. Te jony przenoszą ładunki, dlatego jesteśmy w stanie w ogóle zmierzyć pH. Od razu nasuwa się konkluzja:

Wszystko co nie dysocjuje, nie rozpada się w wodzie więc równocześnie nie zmienia pH roztworu.

Znaczy to, że np. żadne tłuszcze nie będą zmieniały nam pH, żadne alkohole (mowa o czystym alkoholu, nie nalewce roślinnej, która ma ok. 60% wody, w której mogą dysocjować jony pochodzące z substancji roślinnych), gliceryna też nie zmieni nam pH. Tlenek cynku, tlenek krzemu i inne tlenki też nie będą dysocjowały, więc nie zmienią nam pH. Widzicie już ile substancji odpada do pomiaru. Najgorsze są ekstrakty (te kupne), one zawierają w swoim wnętrzu całą masę dziwności, a skład jest równie bogaty jak Steve Jobs, choć ukryty jest w nomenklaturze INCI, którą mało kto czyta.

Dysocjacji (rozbijaniu na jony) ulegają kwasy, zasady i sole rozpuszczalne w wodzie (niestety te w postaci osadu się nie rozpuszczą – np. chlorek srebra, czy węglan wapnia). Co to oznacza dla nas? Wszystkie hydroksykwasy (AHA, BHA, PHA) rozpuszczają się w wodzie (drobnym wyjątkiem jest salicylowy, on lepiej rozpuści się w oleju), zatem ulegać będą dysocjacji i oddziaływać na pH.

Zasady, jak np. wodorotlenek sodu, potasu i magnezu (innych i tak nie używacie w kosmetyce) będą dysocjować. Dodatkowo sole, mleczan sodu, octan sodu, cytrynian sodu, askorbinian sodu (i ich wersje z potasem np. mleczan potasu), chlorek potasu, chlorek magnezu, też dysocjują. Wszystkie powyżej będą więc zmieniały odczyn pH fazy wodnej. Pewną specyficznością natomiast odznaczają się kwasy karboksylowe. Te z krótkim łańcuchem węglowym np. masłowy, oleinowy oraz te tzw. wyższe kwasy karboksylowe jak palmitynowy, stearynowy. Mimo, że są kwasami, to upłynniają się w tłuszczach. Samej dysocjacji nie ulegają ponieważ nie tworzą roztworów wodnych, natomiast rozpadają się na jony w obecności silnych zasad np. sodowej lub potasowej. Łącząc się z nimi na drodze wymiany jonowej dają tzw. mydło. Sole kwasu karboksylowego i zasady np. sodowej będą miały odczyn zasadowy (znacie to z pH mydła przecież). Nie bójcie się, jesteśmy już grubo za połową.

Pora zebrać wszystko w całość i podsumować samą regulację pH:

2. Sole, np. octan sodu, mleczan sodu i inne pochodzące z kwasów organicznych i wodorotlenku sodu, będą dawały nam odczyn zasadowy, czyli będą podnosiły pH, ale będą to robiły delikatniej niż samo NaOH, stąd też będziemy musieli dawać więcej i więcej. Może lepiej zrobić sobie roztwór kilkuprocentowy NaOH i tym regulować pH?
3. pH najlepiej mierzyć pH-metrem, papierki wskaźnikowe dają tylko bardzo ogólny pogląd na wartość pH, raczej używamy ich w 4 zakresach: silnie kwasowe (odczyt na papierku poniżej 5), kwasowe (odczyt na papierku poniżej 7), neutralne (solidne 7), zasadowe (powyżej 7) i silnie zasadowe (powyżej 9).
4. Różne związki dysocjują w różnym czasie, więc regulacja i odczyt pH musi nastąpić w tym właśnie stosownym czasie. Nigdy nie mierzymy pH, gdy jeszcze coś nam pływa w roztworze. Nigdy też nie mierzymy pH mętnego roztworu, musi on być klarowny. Ciekawostką jest, że glukonodeltalakton (GDL) dysocjuje niebywale wolno, a kwas salicylowy rozpuszczać będziecie eony lat. Więc tak, one mogą zmienić Wam równowagę kwasowo-zasadową po czasie – to jest ta sławna zmiana pH już po ukręceniu emulsji. Zrobicie roztwór (mętny, bo mętny), połączycie z fazą olejową, ukręcicie piękny gładziutki kremik…. a on się na Was wypnie po czasie. Winy można szukać właśnie w pH. Swoją drogą nie balansujcie na granicach przedziału pH danego emulgatora, bo to też może wywołać spektakularny upadek naszego kremowego imperium.
5. Zabawę w peelingi kwasowe i inne takie, pozostawcie sobie na formulacje w serum, ono przecież ma prawo się rozwarstwić (zwłaszcza, gdy jest dwufazówką). W kremolu to nie przejdzie.
6. Każdy związek dysocjujący będzie działał obciążająco na układ emulsyjny – musicie zadbać o prawidłową stabilizację w postaci dodatkowych % do emulgatora, czy też dodatkowy stabilizator, koemulgator itp.
7. Wyliczenie odpowiedniej ilości kwasu względem wodorotlenku zobojętni Wam i kwas, i wodorotlenek (przydatne w mydłach), natomiast w żadnym wypadku nie wyzeruje wartości pH i z reguły da Wam wciąż roztwór o pH zasadowym – ponieważ powstałe sole mają charakter zasadowy.
8. Sławetny mocznik – o nim będzie na końcu, ale temat stabilizacji, dysocjacji i amoniaku musi zostać odczarowany.

Jeżeli więc wiecie już, co może zmienić Wasze pH w formulacji kosmetycznej, to czas zastosować tę wiedzę w praktyce, czyli uregulować pH. Przyjmuje się ogólną zasadę projektowania emulsji i lub formulacji kosmetycznej raczej dwojako. Jedni regulują z uwagi na emulgatory, inni z uwagi na równowagę kwasowo-zasadową skóry. Obie rzeczy są równie ważne, ale trzeba dołożyć do tego jeszcze taką rzecz, jak stabilność barwników i innych substancji, których użyliśmy do naszej emulsji. Małą podpowiedzią będzie to, że barwniki antocyjanowe (te różowo-fuksjowe) bardzo szybciutko przybiorą barwę brązowej mazi odkrytej na naszym trawniku po letnich roztopach, jeżeli wpakujemy je do formulacji z pH zasadowym. w pH kwasowym będą trzymały stabilność przez dłuższy czas.

nIstnieje coś takiego jak roztwory buforowe, są to mieszaniny kwasowo-solne, lub zasadowo-solne, które wykazują stałe pH. Bufor octanowy posiada pH 4,7 i takie pH wprowadzi Wam do fazy wodnej. Wytrzyma również niewielkie dodatki kwasów, zasad i soli oraz rozcieńczenia, natomiast musze Was zmartwić – praktycznie wszystkie roztwory buforowe jakie przychodzą mi na myśl z (lekcji?) chemii nie mogą być stosowane w kosmetyce z uwagi na obecność lub przekroczenie ilości dopuszczalnych stężeń niektórych związków. Nawet bufor octanowy wspomniany wcześniej nie nadaje się zbytnio do kosmetyków z uwagi na intensywny zapach, którego nie stłumimy żadnym olejkiem. Wspominam o tym po to, żebyście wiedzieli, że w chemii coś takiego występuje, i gdy pewnego dnia wpadniecie na cudowny pomysł przygotowania sobie roztworu „na później”, który miałby Wam będzie regulował pH bez potrzeby obliczeń, obserwacji itd., to wpadliście właśnie na pomysł wynalezienia buforów pH 😛

Ciekawy jest również przypadek mocznika i wydaje mi się, że ten odczynnik zasługuje na szczególną uwagę. Mocznik przechodzi w amoniak co jest faktem dość znanym. Sam mocznik w roztworach wodnych nie wykazuje ani cech kwasu, ani zasady, natomiast w ciekłym amoniaku zachowuje się jak kwas, w myśl reakcji

CO(NH2)2 [mocznik] + H2O -> CO2 + NH3

Z uwagi na fakt, że amoniak siedzi sobie dalej w wodzie, tworzy on wodę amoniakalną. Oczywiście dzieje się tam szereg innych reakcji chemicznych jak ponowna dysocjacja, autoliza wody oraz wytwarzanie jonów: amonowego, hydroniowego, itd. Tak tworzą się nowe związki i dzieje się to nie przez bezpośrednią hydrolizę w wodzie ale przez reakcję z innymi substancjami.

Mocznik ulega dysocjacji znacznie wolniej w środowisku lekko kwasowym, a w środowisku zasadowym uwalnia swoje amoniakalne zapaszki, z tym, że nie bierzcie sobie za punkt honoru przywalić mu dodatkowymi procentami kwasu (np. mlekowego). Po pierwsze nikt z nas nie tworzy zasadowego kremu, wszyscy starają się raczej utrzymać pH w granicach lekko kwaśnego, po drugie, nawet dodając witaminę C w postaci tzw. SAP, to tak czy siak, musimy obniżyć pH dla samej stabilności kremu – czytaj widełki emulgatora.

Biorąc to wszystko do kupy, konkluzja: stabilizacja pH poprzez utrzymanie go w ryzach lekko kwaśnych (poniżej 7) w zupełności wystarczy, żeby zapobiec wydzielaniu się amoniakalnego zapachu z naszego kremu. Innym faktem jest to, że wysoka temperatura przyspiesza rozkład mocznika, więc tylko jedna prośba – nie grzejcie mocznika w fazie wodnej, starajcie się go dodawać na zimno. Będzie to znacznie lepsze rozwiązanie, niż ładowanie dodatkowej ilości kwasu, rozchwianie równowagi kwasowo-zasadowej i inne tego typu rzeczy. Pamiętajcie również, żeby dodawać ciut więcej emulgatora przy większej ilości mocznika (powyżej 10%) z uwagi na kwestię stabilności konsystencji Waszego kremu – to tyle.