6.1.2.2.Устойчивость дисперсных систем
Под устойчивостью дисперсной системы понимают постоянство во времени ее состояния и основных свойств: дисперсности, равномерного распределения частиц дисперсной фазы в объеме дисперсной среды и характера взаимодействия между частицами. Основной класс коллоидных систем - лиофильныек коллоиды термодинамически нестабильны, т.е. склонны к коагуляции.
Агрегативная устойчивость дисперсных систем весьма различна. Одни системы могут существовать секунды после их образования, другие очень долговечны. Наиболее неустойчивыми по своей природе являются гидрофобные коллоидные системы, для которых характерно слабое взаимодействие между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Существующие теории устойчивости к коагуляции можно подразделить на адсорбционные и электростатические. Так адсорбционная теория коагуляции Г. Фрейдлиха исходит из положения, что при коагуляции золей ионы-коагуляторы адсорбируются коллоидными частицами в соответствии с изотермой адсорбции. Коагуляция наступает при одинаковом понижении - потенциала, которое достигается при адсорбции эквивалентных количеств различных ионов. Рассмотренная теория коагуляции объясняла снижение - потенциала до критического значения уменьшением числа зарядов потенциалообразующих ионов вследствие нейтрализации их адсорбирующимися ионами коагулятора. Электростатическая теория коагуляции Г. Мюллера исходит из того, что введение электролита в золь не изменяет общего заряда в двойном слое частицы, а вызывает сжатие диффузного слоя. Уменьшение толщины ионной атмосферы приводит к снижению - дзета - потенциала, вследствие чего уменьшается стабильность золя. Рассмотренные теории имеют ряд недостатков, что существенно ограничивает их использование.
Наиболее полно описывает поведение типично лиофобных дисперсных систем современная теория устойчивости ДЛФО (названа в соответствии с первыми буквами фамилий ее авторов: Б. В. Дерягина, Л. Д. Ландау, Э.Фервея и Я.Овербека). На основе анализа взаимодействия коллоидных частиц, их взаимного притяжения, обусловленного силами Ван-дер-Ваальса и отталкивания, осуществленного электростатическими силами, была построена результирующая кривая потенциальной энергии системы, представленная на рис.6.3.
Рис. 6.32 Потенциальные кривые взаимодействия коллоидных частиц.
1 - энергия отталкивания, обусловленная действием электростатических сил (убывает с расстоянием по экспоненциальному закону); 2 - энергия притяжения, обусловленная действием сил Ван-дер-Ваальса 3 - результирующая кривая; Uб - энергетический барьер сил отталкивания; h- расстояние между частицами; Uя- вторичный энергетический минимум.
Аналитическая суммарная энергия (V) системы из двух частиц выражается следующим уравнением:
V = Vот+Vпр = Be-h(-A/h2) ( 6.0)
где Vот - энергия отталкивания;
Vпр- энергия притяжения;
В - множитель, зависящий от значений ДЭС, свойств среды, температуры;
е - основание натурального логарифма;
- величина, обратная толщине диффузного слоя;
h- расстояние между частицами;
А - константа молекулярных сил притяжения.
Из теории ДЛФО следует, что все факторы, которые снижают величину Vб понижают и агрегативную устойчивость системы.
Фактором, вызывающим коагуляцию может быть любое воздействие, нарушающее агрегативную устойчивость системы, например, изменение температуры, перемешивание жидкости, воздействие излучения и электрических зарядов. Наиболее важным фактором является добавление электролитов. Электролиты, добавляемые к золям существенно влияют на толщину ДЭС и на - потенциал, являющийся одним из главных факторов устойчивости гидрофобных коллоидных систем . При уменьшении - потенциала, например, под влиянием добавления простых электролитов или других веществ, до значений менее 0,03В силы взаимного притяжения начинают преобладать над электрическими силами отталкивания. Наибольшая интенсивность коагуляции достигается при = 0 (изоэлектрическое состояние коллоидной системы). Величина рН, характеризующая это состояние называется изоэлектрической точкой системы.
Коагуляция под действием электролитов подчиняется правилу Шульце и Гарди, которое формулируется следующим образом: коагулирующим действием обладает тот ион электролита, который имеет заряд, противоположный заряду гранулы: коагулирующее действие тем сильнее, чем выше заряд иона-коагулятора. Соотношение коагулирующей способности одно-, двух- и трехвалентных ионов приблизительно равно 1:30:1000.
Критическое значение концентрации, при котором данный электролит вызывает коагуляцию называют порогом коагуляции и обозначают Ск (моль/л или ммоль/л).
Величину, обратную порогу коагуляции, называют коагулирующей и способность и обозначают Vk= Ck-1. Коагулирующая способность выражает число объемов золя, скоагулированного 1 моль (или 1 ммоль) иона-коагулятора.