3.2. Теоретические основы взаимодействия частиц в коллоидных системах.

3.2.1. Понятие о коллоидных системах.

Итальянский ученый Франческо Сельми в сороковых годах XIX столетия обратил внимание на аномальные свойства некоторых растворов, являющихся, согласно современным представлениям, типичными коллоидными системами. Эти растворы сильно рассеивают свет; растворенные в них вещества выпадают в осадок от прибавления к ним даже весьма небольших количеств со­лей, не взаимодействующих с растворенным веществом; переход вещества в такой раствор и осаждение из него не сопровож­даются изменением температуры и объема системы, что обычно наблюдается при растворении кристаллических веществ. Сельми назвал такие растворы, в отличие от обычных, «псевдорастворами». Позднее они получили название золей.

Английский химик Томас Грэм в начале второй половины прошлого века подробно исследовал свойства растворов, заинтересо­вавших Сельми. Эти растворы, а также вещества, которые их образуют Грэм назвал коллоидами, так как думал, что клей, называемый по-гречески «колла», является типичным их представителем.

Коллоидные системы могут быть газообразными, жидкими и твердыми. В качестве примеров коллоидных систем можно привести обычный водяной туман, дымы, коллоидные растворы металлов (например, растворы платины, золота, серебра), коллоидные рас­творы иодида серебра и сульфида мышьяка, растворы некоторых органических красителей и мыл, эмульсии (например, молоко), а также пемзу, рубиновое стекло, опал, чугун, некоторые сплавы металлов [4].

Многочисленные исследования, проводившиеся на протяжении многих десятилетий, показали, что коллоидное состояние веще­ства – это высокодисперсное (сильно раздробленное) состояние, в котором отдельные частицы являются не молекулами, а агре­гатами, состоящими из множества молекул. Приняв это опреде­ление коллоидного состояния (коллоидной системы), можно сформулировать те принципиальные особенности, которые отли­чают коллоидные системы от истинных растворов. Поскольку кол­лоидные частицы состоят из множества молекул, то, очевидно, им могут быть приписаны все термодинамические свойства фазы. Равным образом молекулы среды, в которой диспергированы кол­лоидные частицы, образуют другую фазу. Следовательно, всякий коллоидный раствор является гетерогенной, многофазной (в про­стейшем случае двухфазной) системой в отличие от истинных растворов, которые являются гомогенными системами. Отсюда же следует вывод, что поскольку всякий коллоидный раствор представляет гетерогенную систему, условием ее образования яв­ляется нерастворимость (или очень малая растворимость) веще­ства одной фазы в веществе другой фазы, ибо только между такими веществами могут существовать физические поверхности раздела,

В соответствии с тем, что число составляющих систему компо­нентов равно двум или больше, коллоидные системы обычно яв­ляются многокомпонентными. Однако в определенных условиях могут образоваться и однокомпонентные коллоидные системы.

3.2.2. Изменение энергии взаимодействия между частицами при их сближении.

Электрическая стабилизация коллоидных систем связана с возникновением двойного электрического слоя на границе разде­ла фаз. Такая стабилизация имеет основное значение для устой­чивых коллоидных систем (лиофобных коллоидов) в полярной среде, например в воде. В любом гидрозоле все коллоидные час­тицы имеют одинаковый знак заряда. Поэтому при сближении частиц между ними возникает электростатическое отталкивание в результате перекрывания диффузных частей двойного электриче­ского слоя частиц (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Схема перекрывания диффузных слоев двух коллоидных частиц

Потенциальная энергия электростатического отталкивания тем больше, чем больше перекрывание диффузных слоев, т. е. чем меньше расстояние между частицами х и чем больше толщи­на двойного электрического слоя [5].

Потенциальная энергия взаимодействия U между коллоид­ными частицами представляет собой алгебраическую сумму по­тенциальной энергии электростатического отталкивания U_i и по­тенциальной энергии дисперсионного притяжения U_m между ними:

U = U_i + U_m (3.1);

На рис. 3.3 приведены зависимости величин U, U_m и U_i от рас­стояния между коллоидными частицами х.

Рис. 3.3. Потенциальная энергия взаимодействия между коллоидными частицами.

Взаимодействие между частицами в коллоидных системах обусловлено многими факторами, но более значительный вклад в образование таких систем вносит межмолекулярное или ванн-дер-ваальсово взаимодействие.