10.9. "Устойчивость и коагуляция дисперсных систем

Как указывалось в разделе 10.2, качественная особенность дисперсных систем состоит в их агрегативной неустойчивости.

Предотвращение агрегации первичных дисперсных частиц возможно в резуль­тате действия трех факторов устойчивости дисперсных систем: 1) кинетического. 2) электрического и 3) структурно-механического.

Необходимым условием слипания двух частиц дисперсной фазы является их сбли­жение, достаточное для проявления сил притяжения. Если частота столкновений к лоидных частиц мала, то дисперсная система может быть устойчивой (кинетический фактор устойчивости). Это может иметь место при очень малой концентрации дис­персных частиц (например, в некоторых аэрозолях) или при очень большой вязкости дисперсионной среды (например, в дисперсных системах типа ТЧ—Т2).

Большинство устойчивых дисперсных систем кроме дисперсной фазы и диспе­рсионной среды содержат еще 3-й компонент, являющийся стабилизатором дис­персности. Стабилизатором могут быть как ионы, так и молекулы, в связи с чем различают два механизма стабилизации дисперсных систем: электрический и молекулярно-адсорбционный.

Электрическая стабилизация дисперсных систем связана с возникновением двойного электрического слоя на границе раздела фаз. Такая стабилизация имеет основное знач-для получения устойчивых лиозолей и суспен­зий в полярной среде, например в воде. В любом гидролизе все коллоидные частицы имеют одинаковый знак заряда. Однако к лоидная мицелла в целом электронейтраль­на в результате образования двойного элек­трического слоя. Поэтому электростатическое отталкивание между коллоидными частии (электрический фактор устойчивости) возникает только при достаточном их сближении, когда происходит перекрывание их ионных атмосфер (рис. 10.16 Потенциальная энергия электростатического отталкивания тем больше, чем больше перекрывание диффузных частей двойного электрического слоя кол­лоидных частиц, т. е. чем меньше расстояние (г) между ними и чем больше толщина двойного электрического слоя.

Кроме электростатического отталкивания между коллоидными частицами, как и между молекулами любого вещества, действуют межмолекулярные силы

притяжения, среди которых наибольшую роль играют дисперсионные силы. Дей­ствующие между отдельными молекулами дисперсионные силы быстро убывают с увеличением расстояния между ними. Но взаимодействие коллоидных частиц обусловлено суммированием дисперсионных сил притяжения между всеми моле­кулами, находящимися на поверхности контакта коллоидных частиц. Поэтому силы притяжения между коллоидными частицами убывают медленнее и про­являются на больших расстояниях, чем в случае отдельных молекул.

Потенциальная энергия взаимодействия {Емв) между коллоидными частица­ми представляет собой алгебраическую сумму потенциальной энергии электро­статического отталкивания (Еот) и потенциальной энергии дисперсионного при­тяжения (Епр) между ними:

Емв — Епр + Еот

Если Еот > Епр (по абсолютной величине), то отталкивание преобладает над притяжением и дисперсная система устойчива. Если Еот < Епр, то происхо­дит слипание сталкивающихся при броуновском движении коллоидных частиц в более крупные агрегаты и седиментация последних. Коллоидный раствор ко­агулирует, т. е. разделяется на коагулят (осадок) и дисперсионную среду.

В этом состоит сущность теории электрической стабилизации и коагуляции дисперсных систем Дерягина, Ландау, Фервея и Овербека (теории ДЛФО).

Рис. 10.17. Потенциальная энергия взаимодей­ствия между двумя одинаково заряженными частицами: 1 — электрическое отталкивание (Еог); 2 — дисперсионное притяжение (.Епр); 3 — результи­рующая энергия взаимодействия (Еыв); 4 — то же, но при более крутом падении кривой 1; г — рассто­яние между частицами; Еыа.кс — потенциальный ба­рьер взаимодействия дисперсных частиц.

На рис. 10.17 приведены зависимости величин ЕОТ и Епр от расстояния между коллоидными частицами. Как видно, результирующая энергия взаимодействия (кривая 3 на рис. 10.17) приводит к притяжению (Емв < 0) на очень малых и отталкиванию (Емв > 0) на больших расстояниях между частицами. Решающее значение для устойчивости дисперсных систем имеет величина потенциального барьера отталкивания (£^макс), которая, в свою очередь, зависит от хода кривых Еот и Е„р. При больших значениях этого барьера коллоидная система устойчива. Слипание коллоидных частиц возможно лишь при достаточном их сближении. Это требует преодоления потенциального барьера отталкивания. При некоторых небольших положительных значениях UMaKC (кривая 3) преодолеть его могут лишь немногие коллоидные частицы с достаточно большой кинетической энер­гией. Это соответствует стадии медленной коагуляции, когда только небольшая часть соударений коллоидных частиц приводит к их слипанию. При медленной коагуляции со временем происходит некоторое уменьшение общего числа кол­лоидных частиц в результате образования агрегатов из 2—3 первичных частиц, но коагулят не выпадает. Подобную коагуляцию, не сопровождающуюся види­мым изменением коллоидного раствора, называют скрытной коагуляцией. При дальнейшем уменьшении потенциального барьера скорость коагуляции, харак­теризуемая изменением числа частиц в единицу времени, возрастает. Наконец, если потенциальный барьер переходит из области отталкивания в область при­тяжения (кривая 4 на рис. 10.17), наступает быстрая коагуляция, когда каждое

соударение коллоидных частиц приводит к их слипанию; в коллоидном растворе образуется осадок — коагулят, происходит явная коагуляция.

Потенциальный барьер отталкивания (Емакс) возникает в результате сумми­рования сил отталкивания и притяжения, действующих между коллоидными частицами. Поэтому все факторы, влияющие на ход кривых 1 и 2 (рис. 10.17). приводят к изменению как величины Емакс, там и положения максимума (т. е. расстояния, соответствующего Вмакс).

Значительное уменьшение Емакс происходит в результате изменения потен­циальной энергии электростатического отталкивания (т. е. хода кривой 1), вы­званного добавлением электролитов к коллоидному раствору. С увеличением концентрации любого электролита происходит перестройка двойного электри­ческого слоя, окружающего коллоидные частицы: все большая часть противоио-нов вытесняется из диффузной в адсорбционную часть двойного электрического слоя. Толщина диффузной части двойного электрического слоя (слой 4 на рис. 10.14), а вместе с ней и всего двойного электрического слоя (слой 2 на рис. 10.14) уменьшается. Поэтому кривая потенциальной энергии электростатического от­талкивания снижается более круто, чем показанная на рис. 10.17 кривая 1. В результате этого потенциальный барьер отталкивания (Еи&кс) уменьшается и смещается в сторону меньшего расстояния между коллоидными частицами. Ко­гда двойной электрический слой сжимается до толщины адсорбционного слоя (слой 3 на рис. 10.14), то вся кривая взаимодействия дисперсных частиц ока­зывается в области притяжения (кривая 4 на рис. 10.17), наступает быстрая коагуляция. Такое измерение устойчивости коллоидного раствора происходит при добавления любого электролита.

Коагулирующее действие электролитов характеризуют порогом коагуляции.т. е. наименьшей концентрацией электролита, вызывающей коагуляцию. В за­висимости от природы электролита и коллоидного раствора порог коагуляции изменяется в пределах от 10~5 до 0,1 моль в литре золя. Наиболее существенноевлияние на порог коагуляции оказывает заряд коагулирующего иона электро­лита, т. е. иона, заряд которого противоположен по знаку заряду коллоидной частицы. Многозарядные противоионы электролита имеют повышенную адсорбцион­ную способность по сравнению с однозарядными и проникают в адсорбционнуючасть двойного электрического слоя в больших количествах. При атом порог ко­агуляции уменьшается не пропорционально заряду противоиона, а значительно быстрее.