8. Устойчивость и коагуляция коллоидных систем
Коллоидные системы термодинамически неустойчивы, т.к. имеют избыточный запас поверхностной энергии Гиббса. Однако при определенных условиях коллоидные системы обладают устойчивостью, т.е. могут сохраняться неизменными размеры и концентрация коллоидных частиц. Различают два вида устойчивости коллоидных систем: седиментационная и агрегативная.
Седиментационная устойчивость (кинетическая) - устойчивость коллоидных частиц к оседанию. Эта устойчивость зависит от размера частиц и вязкости среды.
Агрегативная устойчивость - способность частиц дисперсной фазы противодействовать коагуляции (слипания в более крупные агрегаты). Уменьшение агрегативной устойчивости означает уменьшение седиментационной устойчивости.
Лиофобные коллоидные системы агрегативно неустойчивы, а лиофильные устойчивы. Лиофобные могут существовать при условии их стабилизации. Существует два основных фактора стабилизации лиафобных коллоидных систем: электрический фактор и структурно-механический фактор.
Электрический фактор стабилизации связан с существованием двойного электрического слоя на границе раздела фаз. Хотя мицелла в целом электронейтральна, коллоидные частицы имеют одноименные заряды, и диффузионные слои имеют одноименные заряды. Наличие одноименно заряженных слоев препятствует сближению частиц на такое расстояние, на котором начинают действовать силы притяжения. Соответственно, уменьшение толщины диффузионного слоя нарушает электрическую стабилизацию, и частицы сближаются на такое расстояние, на котором возможно их притяжение, что приводит к слипанию и коагуляции. Нарушение электрической стабилизации происходит при добавлении в коллоидные растворы электролитов.
Минимальная концентрация электролита, вызывающая коагуляцию коллоидного раствора, называется порогом коагуляции. Порог коагуляции зависит от величины заряда коагулирующего иона, который имеет заряд, противоположный заряду коллоидной частицы.
Правило Шульца-Гарди: Коагулирующая способность электролита возрастает с увеличением заряда коагулирующего иона
,
где Сп - порог коагуляции (наименьшая концентрация электролита, при которой наступает коагуляция);
z - заряд коагулирующего иона.
При смешении двух коллоидных растворов с разноименно заряженными частицами происходит взаимная коагуляция в том случае, если их суммарные заряды нейтрализуют друг друга.
Структурно-механический фактор стабилизации коллоидных систем возникает в результате адсорбции на поверхности коллоидных частиц ПАВ или высокомолекулярных соединений (белков, полисахаридов). Адсорбированные частицы (ПАВ или молекулы полимеров) образуют механически прочный слой, который препятствует слипанию частиц. Эти вещества также делают поверхность частиц лиофильной. Такой способ стабилизации коллоидных систем называют коллоидной защитой, а используемые для стабилизации вещества - защитными коллоидами.
Биологические жидкости содержат такие защитные коллоиды, которые препятствуют осаждению таких трудно растворимых веществ как фосфат и карбонат кальция и некоторых нерастворимых метаболитов. Это препятствует отложению солей при атеросклерозе, подагре, образованию почечных и желчных камней.
Образование коллоидного раствора из осадка называют пептизацией, а вещества, вызывающие пептизацию - пептизаторами. В качестве пептизаторов используют электролиты или поверхностно-активные вещества. Ионы или молекулы пептизаторов, адсорбируясь на поверхности частиц осадка, образуют двойной электрический слой или сольватную оболочку, что приводит к преодолению сил межмолекулярного притяжения между ними.