Стійкість дисперсної системи

Агрегативна стійкість – здатність систем протидіяти злипанню частинок і тим самим утримувати певний ступінь дисперсності.

Обумовлена:

• наявністю однойменного заряду у всіх частинок;

• утворення сольватних (гідратних) оболонок з молекул розчинника, що не дозволяють протиіонам дифузійного шару переходити в адсорбційний шар і нейтралізувати повністю заряд потенціалвизначальних іонів (перешкоджають зближенню іонів дифузійного шару з гранулою).

Якщо зберігається агрегативна стійкість – золь стійкий седиментаційно. Втрата агрегативної стійкості призводить до коагуляції золю. Якщо при агрегації утворюються досить великі часточки, то система втрачає седиментаційну стійкість.

Седиментаційна (кінетична) стійкість – збереження рівномірного розподілу частинок в об’ємі, тобто у протистоянні дії сили тяжіння процесам осідання або спливання частинок.

Основна умова:

• висока дисперсність;

• участь частинок дисперсної фази у броунівському русі.

Агрегативна і седиментаційна стійкість дисперсних систем безпосередньо пов’язані між собою.

Під дією сили тяжіння відбувається розділення фаз дисперсної системи, а агреговані частинки утворюють осад.

Колоїдні системи є термодинамічно нерівноважними (мають великий запас вільної поверхневої енергії). Самочинне зменшення вільної поверхневої енергії відбувається внаслідок зменшення поверхні поділу фаз. Тому злипання частинок – коагуляція – є термодинамічно вигідним і самочинним процесом.

Коагуляція ‑ процес злипання (злиття) частинок дисперсної фази при втраті системою агрегативної стійкості.

Коагуляцію викликають (зменшення сил відштовхування і збільшення сил притягання між колоїдними частинками):

• дією температури (нагрівання та заморожування);

• інтенсивним перемішуванням;

• центрифугуванням;

• додаванням електролітів – найбільш ефективний фактор для коагуляції колоїдного розчину.

Теорії коагуляції:

• Адсорбційна теорія (Г. Фрейндліх, 1908): коагулююча дія електроліту є наслідком адсорбції іонів поверхнею агрегату. оскільки іони-коагулятори мають заряд протилежний заряду потенціалвизначальних іонів, відбувається нейтралізація заряду частинок і стійкість золю зменшується. При взаємодії потенціалвизначальних іонів відбувається хімічна коагуляція і утворюється важкорозчинна сполука.

• Згідно фізичної теорії коагуляції ДЛФО Б.В.Дерягіна і Л.Д.Ландау, Е Фервея та Дж.Т.Овербека ДЛ(1945), при додаванні до золю електроліту зменшується ступінь гідратації міцели в цілому. Золь переходить в ізоелектричний стан. При зіткненнях частинок руйнується адсорбційний шар; ядра починають злипатися і осідати на дно посуду у вигляді пластівців. Збільшення концентрації електроліту в дисперсійному середовищі спричиняє зменшення товщини подвійного електричного шару і величину ζ-потенціалу. При досягненні порогової концентрації електроліту дифузійний шар зменшується до такої товщини, при якій починають діяти сили молекулярного притягання. Внаслідок цього відбувається врата агрегативної стійкості, а потім і кінетичної.

Коагуляція золів електролітів підпорядковується правилам:

1. Всі електроліти при збільшенні їх концентрації в золі до певного значення спричиняють коагуляцію. Коагуляція відбувається при певній кількості доданого електроліту.

Поріг коагуляції (ПК) – мінімальна молярна концентрація речовини еквівалента електроліту (моль/л або ммоль/л), що викликає за певний проміжок часу коагуляцію колоїдного розчину.

Величина, обернена порогу коагуляції, називається коагулююча здатність (КЗ).

КЗ = ;

Коагулююча здатність іона-коагулятора показує об’єм золю, що був зкоагульований 1 молем (ммолем) іона–коагулятора.

2. Коагулюючу дію має не вся молекула електроліту, а лише той іон , що має заряд, протилежний заряду гранули (іон – коагулятор). Правило значності (правило Гарді).

3. Коагулююча дія іона–коагулятора тим більша, чим вища його валентність. Правило валентності (правило Шульце).

У ряду неорганічних іонів з однаковим зарядом їх коагулююча активність збільшується зі зменшенням радіуса гідратованого (сольватного) іона. Li⁺ < Na⁺ < K⁺ < Rb⁺ < Cs⁺; Cl^- < Br^- < I^- < CNS^-.

4. В гомологічних рядах електролітів з органічними іонами коагулююча здатність рівномірно збільшується з введенням –СН₂ –груп. При збільшенні концентрації електроліту у розчині зменшується електрокінетичний потенціал колоїдних частинок і коагуляція наступає при його певному значенні – критичному потенціалі. Для більшості систем критичний потенціал дорівнює 0,03В.

Етапи коагуляції:

1. Наближення частинок дисперсної фази, взаємне фіксування їх. Утворення агрегатів з декількох частинок, розділених прошарками дисперсійного середовища

2. Руйнування прошарків середовища і безпосередній контакт частинок. Утворення агрегатів з міцною структурою з твердих частинок – осад.

При додаванні до золю золота невеликої кількості желатину гідрозоль золота стає більш стійким. При додаванні до нього електролітів у кількостях, що значно перевищують поріг коагуляції, а також при тривалому його стоянні, цей золь практично не змінюється. Після випаровування такого золю, і при змішуванні сухого залишку з водою знову утворюється колоїдний розчин. Таким чином, типовий гідрофобний золь золота при додаванні до нього желатину набув властивостей гідрофільного золю і став зворотним .Явище – захисна дія, речовини, що надають стійкості гідрофобним золям – захисні.

Кількісно здатність ВМС захищати золі від коагуляції визначають захисним числом (яке дорівнює числу міліграмів сухої ВМС, що захищає 10мл золю від коагуляції при додаванні до нього 1мл 10%-го розчину NaCl).

Залежно від природи золю захисне число може бути „золотим” (для золю золота), „срібним” (для золю срібла), „залізним” (для золю гідроксиду заліза), „рубіновим” (для золю конго рубінового) тощо.

Роль колоїдного захисту:

• Білки крові захищають краплинки жиру, холестерину та інші гідрофобні речовини від коагуляції. При деяких захворюваннях вміст захисних білків у крові зменшується, що призводить до відкладання холестерину на стінках судин, утворення камінців у нирках та печінці.

• Здатність крові утримувати у зв’язаному стані велику кількість газів (СО₂ і О₂) зумовлена захисною дією білків ( білки обволікають мікро бульбашки цих газів і запобігають злиттю).

Концентраційна коагуляція – пов’язана зі збільшенням концентрації електроліту, що не вступає в хімічну взаємодію з компонентами колоїдного розчину і неспроможний до специфічної адсорбції. При збільшенні концентрації індиферентного електроліту – електростатичний ефект стиснення дифузійного шару, проти іони дифузійного шару переходять в адсорбційний шар, зменшується ζ-потенціал.

При ζ=0 – ізоелектричний стан колоїдної системи.

Іноді коагуляція залежить від способу додавання електроліту-коагулятора. При додаванні електроліту невеликим порціями коагуляція настає при більш високій сумарній його концентрації, ніж при одноразовому внесенні великої кількості. Це явище називається – привикання золю. Причина – підвищення заряду частинок внаслідок адсорбції іонів, заряджених однойменно з частинкою, або утворення пептизатора.