6.Коагуляция и устойчивость дисперсных систем

6.1. Устойчивость дисперсных систем

Коллоидные системы характеризуются высокой раздробленностью дисперсной фазы (дисперсностью): размер коллоидных частиц обычно составляет 10^-7 - 10^-9 м. Высокая дисперсность обуславливает большую поверхность раздела фаз и как следствие - большую поверхностную энергию Гиббса G_S:

G_s = s, (6.1)

где s – площадь поверхности раздела фаз,  - межфазное натяжение.

Стремление систем к уменьшению энергии Гиббса приводит к самопроизвольному уменьшению s за счет укрупнения частиц или их агрегации. Такие системы называют агрегативно-неустойчивыми.

Под устойчивостью понимают постоянство во времени дисперсности частиц дисперсной фазы и распределения частиц по объему дисперсионной среды.

Напомним некоторые определения:

Коагуляция – нарушение агрегативной устойчивости (слипание, расслоение, выпадение осадка).

Коалесценция – слияние в случае эмульсии.

Флокуляция – образование агрегатов из нескольких частиц дисперсной фазы, разделенных прослойкой среды.

Проблема устойчивости дисперсных систем является одной из важнейших в коллоидной химии. Обеспечение устойчивости таких коллоидных систем, как краски, клеи, лаки и т.д. имеет большое значение для полиграфической технологии и многих других отраслей.

По предложению Н.П. Пескова^(*) устойчивость дисперсных систем подразделяют на два вида: устойчивость к осаждению дисперсной фазы - седиментационная устойчивость и устойчивость к агрегации её частиц - агрегативная устойчивость.

Седиментационная устойчивость (смотри раздел 3.3) характеризует способность дисперсной системы сохранять равномерное распределение частиц дисперсной фазы по объему дисперсионной среды. Седиментационной устойчивостью обладают микрогетерогенные системы, способные участвовать в броуновском движении, в результате которого частицы дисперсной фазы с размерами < 1 мкм практически равномерно распределяются по объёму дисперсионной среды.

По отношению к агрегации дисперсные системы могут быть устойчивы термодинамически и кинетически.

Термодинамически устойчивые дисперсные системы образуются в результате самопроизвольного диспергирования одной из фаз. Примерами таких систем могут служить растворы высокомолекулярных соединений (ВМС) и мицеллярные растворы коллоидных ПАВ. Кроме того, термодинамически устойчивыми могут быть и гетерогенные дисперсные системы в областях, близких к критическим температурам. Действительно, для двух несмешивающихся жидкостей А и В при Т  Т_кр,   0, исчезает избыточная энергия Гиббса G_s =  и система становится устойчивой (см. рис.). По классификации Ребиндера такие системы называют лиофильными.

Термодинамически неустойчивые дисперсные системы (с большой G^S) получили название лиофобных дисперсных систем. Такие системы не могут быть получены самопроизвольным диспергированием, для их образования должна быть затрачена внешняя энергия.

Казалось бы, термодинамически неустойчивые системы не имеют права на существование, они должны быстро терять устойчивость и агрегировать. Однако агрегативная устойчивость таких систем может быть обеспечена кинетическими факторами. Действительно, из химической кинетики известно, что многие термодинамически разрешенные (G < 0) химические реакции не происходят по кинетическим причинам - из-за неспособности молекул реагентов преодолеть высокий потенциальный барьер отталкивания электронных оболочек - энергию активации. Аналогично, термодинамически неустойчивые дисперсные системы способны существовать в течение определенного, иногда очень длительного времени при наличии достаточно высокого потенциального барьера отталкивания частиц дисперсной фазы.

Для создания потенциального барьера отталкивания коллоидных частиц и обеспечения тем самым агрегативной устойчивости в лиофобные системы добавляют стабилизаторы. Стабилизаторами коллоидных систем могут быть электролиты, поверхностно-активные вещества и высокомолекулярные соединения.

Разберем явления, обусловленные агрегативной устойчивостью дисперсных систем.