Агрегативна стійкість золей
Системи, що вивчаються колоїдною хімією, дуже різноманітні. Відповідно, в широких межах розрізняється і їх стійкість. Питання стійкості дисперсних систем займають центральне місце в колоїдній хімії, оскільки ці системи в основному термодинамічно нестійкі.
Під стійкістю системи розуміють сталість у часі її стану й основних властивостей: дисперсність рівномірного розподілу частинок дисперсної фази в об'ємі дисперсійного середовища та характеру взаємодії між частинками.
Частинки дисперсної системи, з одного боку, випробовують дію земного притягання; з іншого боку, вони піддані дифузії, що прагне вирівняти концентрацію у всіх точках системи. Коли між цими двома силами настає рівновага, частинки дисперсної фази певним чином розташовуються щодо поверхні Землі.
Найстійкіші тверді колоїдні системи, малостійкі – аерозолі, багато емульсій і золів. Практика показує, що гідрозолі можуть бути стійкими упродовж тривалого часу. В колоїдних системах розрізняють два види стійкості – агрегативну і седиментаційну.
Дисперсійна система вважається седиментаційно-стійкою, якщо її дисперсні частинки не осідають, тобто знаходяться в стабільній седиментаційній рівновазі.
Якщо розміри частинок дисперсної фази постійні, то колоїдна система нескінченно довго може зберігати седиментаційну стійкість. Типові колоїдні системи характеризуються певними розмірами частинок і можуть існувати без порушення агрегативної стійкості і руйнування досить довгий час. Це говорить про те що крім сил, які викликають злипання колоїдних частин в крупні агрегати, між міцелами існують також сили відштовхування. Вони і визначають агрегативну стійкість.
У 1845 р. англійський вчений Майкл Фарадей добув золь золота – колоїдні частинки металу розміром менше 0,1 мкм, зважені у воді. Густина золота майже у 20 разів більша, ніж у води, тому всі частинки, здавалося б, повинні поступово осісти на дно. Однак сам Фарадей за декілька років спостережень не побачив утворення осаду. До речі, ці золі збереглися до цих пір і демонструються у Британському музеї!
Але частинки дисперсної фази здатні укрупнюватись шляхом їх злиття або перекристалізації. Укрупнення частинок в дисперсній системі призводить до порушення седиментаційної стійкості і утворення осаду.
Агрегативна стійкість – здатність дисперсної системи зберігати незмінними розміри частинок.
При броунівському русі міцели золей можуть зіштовхуватися одна з одною і з’єднуватися в більш крупні агрегати, тобто може порушуватися агрегативна стійкість.
Порушення агрегативної стійкості може привести до появи крупних частинок – агрегатів, які вже не можуть розподілятися по всьому об”єму, тобто система втрачає і седиментаційну стійкість. Втрата седиментаційної стійкості приведе до руйнування золя, частинки його дисперсної фази будуть осідати – седиментувати або спливати.
Якщо в колоїдних розчинах сили притяжіння між частинками більші, ніж сили відштовхування, то відбувається злипання частинок у більш великі агрегати, що призводить до порушення агрегативної стійкості. З підвищенням температури зростає частота та енергія зіткнень міцел, сили відштовхування виявляються недостатніми для запобігання злипанню частинок одна одною. Отже, агрегативна стійкість системи різко зменшується.
Для гідрозолей встановлений зв’язок між агрегативною стійкістю і швидкістю електрофореза.
Чим золь більш стійкий, тим в нього вища швидкість електрофореза.
Електрофорез
обумовлений існуванням подвійного
шару міцели, і швидкість його
пропорційна електричному потенціалу.
Отже, агрегативна стійкість гідрозолей
також пов’язана з наявністю подвійного
електронного шару (ПЕШ) і силами
відштовхування,
що виникають між міцелами, визначаються
- потенціалом,
тобто мають електростатичну природу.
При наближенні двох міцел спочатку взаємодіють іони дифузійних шарів. Так як вони однойменно заряджені і досить рухомі, то, відштовхуючись одна від одної, дифузійні шари будуть деформуватися, збираючись з протилежного боку міцели. При подальшому наближенні міцели починають взаємодіяти не дифузними шарами, а однойменно зарядженими колоїдними частинками, заряд яких дорівнює електрокінетичному потенціалу. Чим більший електрокінетичний потенціал, тим більші сили відштовхування і, відповідно, тим вища агрегативна стійкість золя.
Але електростатичне відштовхування – це не єдина причина агрегативної стійкості золей. На поверхні колоїдних частинок завдяки взаємодії поверхневих молекул дисперсної фази з молекулами дисперсного середовища можуть утворюватися адсорбціонно-сольватні оболонки. За короткий час зіткнення частинок, сольватні оболонки що утворюються навкруг частинок дисперсної фази, завдяки високої в’язкості і опору зсуву не встигають “видавиться” із щілини між частинками і тим самим перешкоджають їх контакту. Але в більшості випадків сольватація може служити лише фактором, що дорівнює дії електростатичних сил. Для ліофільних золей сольватація є основною причиною стійкості.