Теорії стійкості і коагуляції

Всі теорії коагуляції гідрофобних колоїдів в основному можна розділити на адсорбційні та електростатичні. Адсорбційну теорію коагуляції описав Г.Фрейндліх. Вона базується на тому, що при коагуляції золів йони-коагулятори адсорбуються колоїдними частинками відповідно до ізотерми адсорбції. При цьому коагуляція настає при однаковому зниженні ξ-потенціалу, але досягається при адсорбції еквівалентних кількостей різних йонів. Ця теорія пояснила зниження ξ-потенціалу до критичного значення зменшенням числа зарядів потенціалоутворюючих йонів внаслідок нейтралізації їх адсорбованими йонами-коагуляторами. Але ця теорія виявилася обмеженою у використанні, бо далеко не завжди спостерігається еквівалентність адсорбції різних електролітів і співвідношення ізотерм адсорбції різних йонів. Крім того, у багатьох випадках коагуляція пов’язана зі зміною лише у дифузному шарі, а заряд потенціалоутворюючих йонів залишається сталим.

Електростатичну теорію розробив Г.Мюллер. На відміну від адсорбційної, ця теорія базувалася на тому, що введення електроліту в золь не змінює загального заряду у подвійному шарі частинки, а викликає стискання дифузного шару. Зменшення товщини йонної атмосфери призводить до зниження ξ-потенціалу, яке можна вирахувати на основі теорії сильних електролітів Дебая-Хюккеля. Внаслідок зниження ξ-потенціалу зменшується стабільність золю.

Сучасну теорію стійкості колоїдних систем розробили Б.Дерягін, Л.Ландау (1937), Е.Фервей, Я.Овербек (1941). За першими літерами прізвищ авторів теорія отримала назву ДЛФО. Згідно з цією теорією, між частинками при їх зближенні виникає розклинювальний тиск, який розділяє рідкий прошарок в результаті дії сил притягання і відштовхування. Стан системи залежить від балансу енергії притягання і енергії відштовхування. Перевага енергії відштовхування призводить до стійкості системи. Перевага енергії притягання викликає порушення агрегативної стійкості, тобто коагуляцію.

Коагуляція гідрофобних золів

При коагуляції змінюються фізико-хімічні властивості систем: з’являється каламутність, знижується осмотичний тиск, змінюються електропровідність і характер в’язкості. Фактором, що викликає коагуляцію, може бути будь-який агент, який порушує агрегативну стійкість системи, наприклад температурні зміни (сильне нагрівання або охолодження аж до заморожування), механічні втручання (перемішування, перекачування, інтенсивне струшування), дія світла й інших випромінювань, електричні розряди. Однак, найвагомішим фактором є дія електролітів. Введення їх в золі дуже швидко призводить до зміни товщини подвійного електричного шару і ξ-потенціалу, який є одним з головних факторів стійкості гідрофобних колоїдних систем.

Коагуляція під дією електролітів

Коагуляція відбувається при певній кількості доданого електроліту. Мінімальну молярну концентрацію еквівалента електроліту (в моль/л або ммоль/л), яка викликає за певний проміжок часу коагуляцію колоїдного розчину, називають порогом коагуляції – с_к. Значення с_к є порівняльним критерієм агрегативної стійкості дисперсних систем. Величина с_к визначається зарядом йона – коагулятора. Знак заряду йона-коагулятора протилежний знаку заряду гранули.

Величину, обернену порогу коагуляції, називають коагулюючою здатністю і позначають V_к . Коагулюючу здатність V_к йона-коагулятора показує об’єм золю, скоагульованого 1 молем (або ммолем) йона-коагулятора.

Спостереження Г.Шульце (1882) показали, що коагулюючою здатністю володіє один із йонів електроліту (йон-коагулятор). Причому, коагулююча здатність йона-коагулятора зростає зі збільшенням його заряду (правило Шульце).

Дещо пізніше М.Гарді (1900) довів, що заряд коагулюючого йона завжди протилежний заряду колоїдної частинки (правило Гарді). Таким чином, коагуляцію від’ємно зарядженого золю викликають катіони доданого електроліту. Для золю з позитивно зарядженими частинками йонами-коагуляторами є аніони.

Закономірність, відкрита Шульце і Гарді, як правило Шульце-Гарді звучить так: коагулюючою дією володіє той йон електроліту, який має заряд, протилежний заряду гранули; коагулююча дія тим сильніша, чим вищий заряд йона-коагулятора (правило значності).

Згідно з правилом Шульце-Гарді, поріг коагуляції йона-коагулятора с_к зменшується зі збільшенням його заряду. Для двозаряджених йонів поріг коагуляції в десятки, а тризарядних – у сотні разів менший, ніж для однозарядних: с_к:с_к:с_к = 500:25:1.