37B7.4 Теорія агрегативної стійкості та коагуляції ліофобних золів длфо

Сучасна фізична теорія коагуляції електролітами основана на загальних принципах статистичної фізики, теорії молекулярних сил і теорії розчинів. Її авторами є: Б.В. Дерягин, Л.Д. Ландау (1937-1941), Е. Фервей, Я. Овербек (за першими літерами скорочено - ДЛФО).

Сутність цієї теорії: між будь-якими частками при їх зближенні виникає розклинювальний тиск розподільного рідкого прошарку в результаті дії сил тяжіння і відштовхування.

Розклинювальний тиск є сумарним параметром, що враховує як дію сил тяжіння, так і сил відштовхування.

Стан системи залежить від балансу енергії тяжіння (U_тяж) й енергії відштовхування (U_відшт).

Якщо переважає U_відшт - система стійка.

Якщо переважає U_тяж - відбувається порушення агрегатної стійкості (коагуляція).

Потенційні криві графічно ілюструють зміну енергії взаємодії між двома частками при їх зближенні (рисунок 7.8).

U_відшт

1

U_б

3

h

II

U_я

I

2

U_тяж

Рисунок 7.8 - Потенційні криві взаємодії колоїдних часток: 1 - зміна енергії відштовхування від зміни відстані; 2 - зміна енергії тяжіння; 3 - результуюча крива

Сумарну енергію системи з двох часток (крива 3 на рисунку 7.8) одержують сумуючи і :

, (7.7)

де: - множник, що залежить від значень електричних потенціалів ПЕШ, властивості середовища, температури;

– основа натурального логарифма;

– величина, зворотна товщині дифузного шару;

– відстань між частками;

– константа молекулярних сил тяжіння.

Розглянемо результуючу криву 3 на рисунку 7.8. На ній є характерні ділянки:

- в області малих відстаней є глибокий первинний мінімум (потенційна яма) - значно переважає . Первинний мінімум відповідає безпосередньому злипанню часток ( на схемі ділянка I);

- в області великих відстаней - вторинний неглибокий мінімум (друга потенційна яма, відповідає тяжінню через прошарок середовища). На схемі - ділянка II;

- в області середніх відстаней на кривій є максимум і, якщо він розташований над віссю абсцис, то з'являється енергетичний бар'єр сил відштовхування ( ).

Результуюча крива 3, наведена на рисунку 7.8, може мати різний вигляд залежно від стійкості дисперсної системи.

Виділимо такі випадки:

- в системі при будь-якій відстані між частками переважає енергія тяжіння над енергією відштовхування.

В такій системі спостерігається швидка коагуляція з утворенням агрегатів;

- достатньо високий потенційний бар'єр і наявність вторинного мінімуму.

Частки взаємодіють, але не мають безпосереднього контакту і розділені прошарками середовища;

- система з високою агрегатною стійкістю (високий потенційний бар'єр і відсутність вторинного мінімуму або при його глибині, меншій за теплову енергію kТ).

Потенційні криві для різних станів стійкості дисперсної системи - швидка коагуляція; частки взаємодіють, але розділені прошарком середовища; висока агрегатна стійкість – наведено на рисунку 7.9).

U_відшт

2

3

h

1

U_тяж

Рисунок 7.9 - Потенційні криві для різних станів стійкості дисперсної системи: 1 – швидка коагуляція; 2 – частки взаємодіють, але розділені прошарком середовища; 3 – висока агрегатна стійкість

Залежно від висоти енергетичного бар'єру і глибини потенційних ям можливі різні варіанти поводження часток при зближенні (рисунок 7.10), частки володіють кінетичною енергією - kТ.

41Bв а б

Рисунок 7.10 - Схеми взаємодії колоїдних часток: а - U_б=(5-10)kT, U_яkT; б - U_бkT, U_яkT; в - U_бU_яkT

Розглянемо елементи схеми, наведеної на рисунку 7.10:

- стан, якому відповідає рисунок 7.10в, характеризується малою висотою бар'єру і неглибоким вторинним мінімумом: U_бU_яkT. Частки вступають в ближню взаємодію, тобто безпосередньо контактують – наступає коагуляція;

- стан, якому відповідає рисунок 7.10а, характеризується тим, що перекриваються дифузні шари і зберігаються прошарки середовища між частками (гелі). Енергетичний бар'єр доволі високий [U_б=(5-10)kT], вторинний мінімум неглибокий: U_яkT. Взаємодіючі частки не можуть розійтись (утримують сили тяжіння) і не можуть наблизитись впритул (перешкоджають сили відштовхування). Додавання електроліту частіше за все приводить до коагуляції (зменшується h);

- стан, якому відповідає рисунок 7.10б, характеризується високим енергетичним бар'єром U_бkT і відсутністю або неглибоким вторинним мінімумом U_яkT. Частки не можуть подолати бар'єр і розходяться без взаємодії. Така система агрегатно стійка.

Дисперсна система є агрегатно стійкою при високому енергетичному бар'єрі сил відштовхування.