7.4.3. Физико-химическое дробление осадков (пептизация)

Пептизацией называют расщепление на первичные частицы под действием внешней среды агрегатов, возникающих в результате обратимой коагуляции дисперсных систем. Существуют три способа перевода осадка в коллоидный раствор.

1. Адсорбционная пептизация. В этом случае отталкивание частиц осадка друг от друга вызывается ДЭС, образующимся на поверхности частиц при адсорбции ионов добавляемого электролита-стабилизатора.

2. Пептизация путем поверхностной диссоциации. Связана с образованием ДЭС методом поверхностной модификации. Пептизатор здесь способствует процессу диссоциации с поверхности, вызывая образование растворимых соединений на поверхности частиц.

3. Пептизация путем промывания осадка. Применяется в том случае, когда на поверхности частиц в осадке есть двойные электрические слои, но они сжаты вследствие большой концентрации электролита. При промывании такого осадка водой концентрация электролита в нем уменьшается, двойные слои увеличи­вают свою толщину; силы электростатического отталкивания между частицами будут действовать на более далеких расстояниях и вызовут коллоидное раство­рение осадка.

Пептизация протекает с определенной скоростью, которая, как правило, воз­растает с повышением температуры.

При пептизации наблюдается характерная зависимость между количествами пептизированного вещества, взятого осадка и пептизатора. Эту закономерность называют правилом осадка Оствальда. Она заключается в том, что при постоянном содержании пептизатора с возрастанием количества взятого для пептизации осадка количество осадка, перешедшего в раствор, сначала увели­чивается, а затем уменьшается (рис. 7.6) .

Рис. 7.6. Зависимость количества растворившегося осадка от количества осадка, взятого для растворения.

Такую зависимость можно объяс­нить тем, что для коллоидного дис­пергирования необходимо опреде­ленное количество пептизатора. При малых количествах осадка его дос­таточно для образования адсорбционного слоя на каждой час­тице. С увеличением количества осадка, взятого для пептизации – пептизатор распределяется по боль­шому количеству частиц. На каждой частице его становится все меньше и, наконец, его не достаточно для образования устойчивой системы, поэтому количество пептизированного осадка уменьшается, и пептизация мо­жет совсем не происходить.

Отсюда следует, что пептизация резко отличается от обычного растворения, в котором после достижения насыщения содержание растворенного вещества перестает зависеть от количества вещества, взятого для растворения.

Пептизация имеет большое значение в технике при изготовлении суспензии глин, цементов, в препаративной коллоидной химии при получении золей. Однако в ряде производств пептизация может играть и отрицательную роль, так, например, при извлечении сахара возможна нежелательная пептизация пек­тина и других веществ, содержащихся в растительных тканях.

7.5. Образование лиофильных коллоидных систем

Многие коллоидные системы могут возникать спонтанно, или самопроиз­вольно. Эти системы называются лиофильными коллоидными системами, так как взаимодействие между веществом дисперсной фазы и средой достаточно большое.

Образование термодинамически устойчивых дисперсных систем, как и истинных растворов, происходит самопроизвольно, сопровождаясь уменьше­нием свободной энергии.

Изменение свободной энергии при самопроизвольном диспергировании мо­жет быть выражено следующим образом:

(7.15)

При добавлении объем системы не меняется и . Поверхность при диспергировании увеличивается, т.е. . Энтропия системы при дроблении также возрастает: .

Для самопроизвольного протекания процесса должно выполняться условие . Это условие будет выполнимо, если возрастание свободной энергии из-за увеличения поверхности при диспергировании будет меньше убыли свобод­ной энергии из-за возрастания энтропии:

(7.16)

Изменение поверхности пропорционально числу частиц n, умноженному на размер частиц в квадрате . Изменение энтропии , т.е. кинетической энергии частиц, где - безмерный коэффициент, равный ~ 30.

(7.17)

Из этого уравнения можно получить критическое значения поверхностного натяжения:

(7.18)

для частиц , .

Самопроизвольное диспергирование возможно для коллоидных систем, в ко­торых .

Несмотря на большую межфазную поверхность в лиофильных дисперсных системах, малое межфазное натяжение обуславливает сравнительно небольшую поверхностную энергию, которая способна компенсироваться энтропийной со­ставляющей. Малое значение возможно только при значительном межфаз­ном взаимодействии, характерном для жидких сред. Поэтому термодинамиче­ски устойчивыми свободно-дисперсионными системами могут быть только сис­темы с жидкой дисперсной средой.

При самопроизвольном диспергировании образуются дисперсные системы, характеризующиеся кривыми распределения с некоторым наиболее вероятным радиусом, т. е. существует оптимальная дисперсность. Дальнейшее диспергиро­вание, вплоть до молекул, невозможно, так как состояние с оптимальной дис­персностью более выгодно, чем состояние двух сопряженных сплошных фаз или состояние истинного раствора. По мнению Ребиндера, термодинамическая устойчивость двухфазных дисперсных систем определяется двумя условиями: достаточно низким межфазным поверхностным натяжением и быстрым его рос­том с уменьшением радиуса частиц.

Наиболее типичными представителями лиофильных коллоидных систем яв­ляются растворы коллоидных ПАВ и высокомолекулярных соединений, а также водные дисперсии эмульсолов (углеводородов с большим содержанием (10-20%) мыл или мылоподобных поверхностно-активных веществ). Эмульсолы применяют в качестве смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) при холодной обработке металлов.