4. Устойчивость и коагуляция дисперсных систем

Под устойчивостью дисперсной системы понимают постоянство в течение длительного времени основных ее свойств (размеры частиц, равномерное распределение в среде и межчастичное взаимодействие). Проблема устойчивости дисперсных систем является центральной проблемой коллоидной химии. С одной стороны при получении дисперсных систем, таких как связующие, красители, лекарственные препараты, продукты питания, важно обеспечить их устойчивость (стабильность), с другой стороны не менее важной является задача разрушения дисперсной системы, например при получении химических волокон, очистке промышленных выбросов, водоподготовке и т.д. В зависимости от процессов, изменяющих свойства системы, различают седиментационную и агрегативную устойчивость.

Седиментационно устойчивая дисперсная система - это система, в которой частицы дисперсной фазы равномерно распределены в объеме дисперсионной среды и не оседают (не всплывают) в течение продолжительного времени.

Равномерное распределение вещества фазы в среде определяется тепловым движением частиц (диффузией) с одной стороны и действием гравитационного поля Земли с другой стороны. Под действием силы тяжести частицы должны оседать, а в результате диффузии концентрация частиц в системе будет выравниваться. Соотношение силы тяжести и диффузии и определяет конечное состояние системы, определяющее ее устойчивость. Способность дисперсной системы противостоять оседанию называют кинетической или седиментационной устойчивостью.

Гравитационная сила пропорциональна массе (размеру) частиц:

(4.1)

Связь между скоростью диффузии и размерами диффундирующих частиц установлена Эйнштейном в уравнении для коэффициента диффузии:

,

(4.2)

т. е. скорость диффузии обратно пропорциональна линейным размерам частиц. Из уравнений (4.1), (4.2) следует, что по мере увеличения размеров частиц гравитационная составляющая действующих сил растет быстрее. Поэтому в системах с низкой дисперсностью, начиная приблизительно с частиц размером 1 мкм и выше, (пыль, суспензии), частицы диспергированного вещества оседают (или всплывают, если плотность дисперсионной среды больше плотности вещества дисперсной фазы). Такие системы седиментационно неустойчивы. Под действием силы тяжести они разрушаются и тем быстрее, чем больше размеры частиц.

Для систем высокой дисперсности (например, коллоидные растворы) сила тяжести уравновешивается диффузией, частицы в этом случае не оседают и могут находиться во взвешенном состоянии относительно долго. В такой системе устанавливается определенное распределение частиц по высоте - седиментационное равновесие. Таким образом, дисперсные системы с размером частиц менее 10^-6 м обладают достаточно интенсивным тепловым (броуновским) движением, чтобы противостоять силе тяжести, - они седиментационно устойчивы. Сделанное заключение о седиментационно устойчивых и неустойчивых системах справедливо при условии, что частицы сохраняют свою степень дисперсности.

Второй вид устойчивости - агрегативная устойчивость характеризуется постоянством размеров частиц дисперсной фазы. В дисперсных системах между частицами дисперсной фазы так же, как и между молекулами, действуют ван-дер-ваальсовы силы. Поэтому в дисперсных системах с различной скоростью, зависящей от ряда параметров системы и внешних факторов, при случайном столкновении происходит слипание частиц - коагуляция. Способность коагулировать обусловлена термодинамической неравновесностью дисперсной системы. Дисперсные системы обладают большим запасом свободной энергии, а поэтому термодинамически неустойчивы. Огромная удельная поверхность дисперсной фазы создает избыток поверхностной энергии, которая стремится к минимальному значению, что связано с уменьшением поверхности раздела между частицами и средой. Это вызывает переход системы в такое состояние, когда частицы объединяются, сцепляясь под действием молекулярных сил в агрегаты. В одних системах объединение идет достаточно быстро, в других сравнительно медленно. Если процесс слипания частиц не происходит или происходит очень медленно, то такие системы существуют долго без каких-либо заметных изменений; их относят к агрегативно устойчивым. Дисперсные системы, в которых коагуляционные процессы протекают с большой скоростью, называют агрегативно неустойчивыми.

Таким образом, агрегативная устойчивость связана с изменением степени дисперсности

Нарушение агрегативной устойчивости дисперсной системы в сторону укрупнения частиц за счет их слипания под действием молекулярных сил притяжения называется коагуляцией. О коагуляции можно судить по изменению свойств и внешнего вида системы: увеличение мутности, уменьшение осмотического давления, изменение оптической плотности, увеличение вязкости, появление хлопьев, выпадение осадка. В концентрированных системах в результате коагуляции может образоваться объемная структура (гель) с последующим выделением фазы. К коагуляции относят процесс флокуляции - образование флокул, в которых частицы удерживаются силами межмолекулярного взаимодействия через прослойку дисперсионной среды, а также процесс адгезионного взаимодействия частиц дисперсной фазы с макроповерхностями (адагуляция).

В результате нарушения агрегативной устойчивости (понижение степени дисперсности) система становится седиментационно неустойчивой, так как образовавшиеся из первоначальных частиц агрегаты под действием силы тяжести выделяются из среды (оседают или всплывают). Таким образом, агрегативная и седиментационная устойчивости взаимосвязаны.

В агрегативно неустойчивых системах скорость коагуляции определяется частотой межчастичных столкновений. В сильно разбавленных дисперсных системах коагуляция протекает очень медленно по причине малой вероятности столкновения частиц. С повышением концентрации дисперсной фазы частота столкновений увеличивается и для получения агрегативно устойчивых систем требуется их стабилизировать - предотвратить слипание частиц при их случайном столкновении. В дисперсных системах с жидкой дисперсионной средой стабилизация осуществляется введением различных веществ - стабилизаторов. Стабилизаторами являются электролиты, поверхностно-активные вещества, высокомолекулярные соединения.