Даниловская Л. П. / Лекция 13. Устойчивость к коагуляции дисперсных систем

ЛЕКЦИЯ 13 КХ21

Тема лекции:

«УСТОЙЧИВОСТЬ И КОАГУЛЯЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ»

Содержание темы: «Проблемы устойчивости дисперсных систем. Причины седиментационной и агрегативной устойчивости. Факторы потери устойчивости. Коагуляция золей».

Ранее в лекциях отмечалось, что образование дис­персных систем сопровождается увеличением свободной энергии системы. Следовательно, дисперсная система яв­ляется принципиально термодинамически неустойчивой, т. е. рано или поздно должна самопроизвольно разрушить­ся. Поэтому речь может идти только об относительной термодинамической устойчивости дисперсных систем.

Относительная устойчивость - это способность системы в течение определенного времени сохранять неизменной свою структуру, т. е. размеры частиц и их равномерное распределение в объеме системы.

Относительная устойчивость разных дисперсных сис­тем колеблется в достаточно широких пределах. Как мы увидим дальше, эмульсия без эмульгатора (капли масла в воде, полученные при встряхивании) разрушается в течение нескольких секунд с момента ее образования, а красный золь золота, полученный Фарадеем в середине XIX в., «живет» до сих пор.

Проблема устойчивости – одна из самых важных и сложных в коллоидной химии. Это проблема «жизни и смерти» дисперсных систем.

Различают два вида относительной устойчивости дисперсных систем, они различны по своему меха­низму.

Седиментационная (кинетическая) устойчивость – это способность системы противостоять действию силы тяжести, т.е. оседанию. Действию силы тяжести противостоит диффузия. Соотношение этих факторов, т.е. седиментационная устойчивость, определяется размерами частиц дисперсной фазы. Чем выше дисперсность системы, т.е., чем мельче частицы дисперсной фазы, тем система седиментационно устойчивее.

В седиментационно - устойчивых дисперсных системах концентрация частиц дисперсной фазы одинакова по всему объему системы и при правильном хранении не изменяется во времени. Нарушение устойчивости может быть вызвано седиментацией частиц, приводящей к их оседанию или всплыванию. В лиофобных золях размеры частиц малы (1-100 нм) и диффузия обеспечивает равномерное распределение частиц в объеме системы. Поэтому лиофобные коллоидные растворы седиментационно устойчивы.

Агрегативная устойчивость – способность системы сохранять неизменными во времени размеры частиц. Она проявляется в том, что частицы ДФ не укрупняются и не слипаются.

Способность частиц не слипаться обусловлена наличием на коллоидных частицах одноименного заряда, (см. ниже - строение мицеллы), что вызывает взаимное отталкивание частиц.

Рассмотрим формулу мицеллы золя хлорида серебра AgCl, стабилизированного хлоридом калия:

{[m(AgCl) nCl^{- .} (n – x) K^{+ .} yH₂O]^x- + x K ^{+ .} zH₂O}⁰

коллоидная частица

мицелла

В рассмотренной формуле мицеллы: m  число молекул, образующих ядро коллоидной частицы; n  число потенциалопределяющих ионов; (n- x)  число связанных противоионов адсорбционного слоя; х --- число свободных противоионов; y  число молекул воды в гидратной оболочке коллоидной частицы; z  число молекул воды, связанных со свободными противоионами. Как видно, каждая коллоидная частица золя заряжена отрицательно, ее заряд: х- .

Кроме того, агрегативная устойчивость повышается также из-за значительной гидратации частиц. При этом полярные молекулы воды определенным образом ориентируются вокруг заряженных частиц, вступают с ними во взаимодействие и разобщают частицы в дисперсионной среде.

Потеря агрегативной устойчивости дисперсных систем  это процесс слипания частиц в результате их взаимодействия и образования более крупных частиц-агрегатов.

Такой процесс слипания одинаковых по химической природе частиц называется коагуляцией. Слипание разнородных по химической природе частиц носит название гетерокоагуляция.

Коагуляция в дисперсной системе может привести к седиментации и далее к образованию осадка - коагулянта различной структуры. Кроме того, процесс коагуляции может остановиться на пол-пути, когда образуются более крупные (чем исходные) частицы дисперсной фазы, но их седиментации не происходит.

Рассмотрим факторы, определяющие возможность коагуляции золя, т.е. коллоидного раствора:

- Добавление в коллоидный раствор электролитов  твердых растворимых веществ или концентрированных растворов, приводит к уменьшению заряда коллоидной частицы или делает ее нейтральной. Это вызывает уменьшение числа молекул воды в гидратной оболочке частицы. Чем меньше гидратная оболочка, тем вероятнее слипание, т. е. коагуляция частиц дисперсной фазы.

- При увеличении температуры, а также при перемешивании золя, увеличивается частота столкновения частиц. Все это увеличивает вероятность и скорость коагуляции.

- Коагуляция может происходить также в результате пропускания постоянного электрического тока через коллоидный раствор, то есть электрохимически. При этом заряд с коллоидной частицы снимается (нейтрализуется) на одном из электродов. Далее нейтральные частицы теряют гидратную оболочку и наступает их коагуляция.

Вопросы 1 – 6 для самоконтроля по лекции 13. Тема лекции:

«УСТОЙЧИВОСТЬ И КОАГУЛЯЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ»

1.Что такое относительная устойчивость дисперсных систем (ДС)? Как может различаться время «жизни» различных ДС.

2. В чем смысл седиментационной устойчивости? Закончите фразу: «Чем крупнее частицы дисперсной фазы, тем седиментационная устойчивость ДС ….???...(выше или ниже)».

3. Как называется способность ДС сохранять неизменными во времени размеры частиц ДФ? Какие два основных фактора обеспечивают эту способность?

4. Что происходит в процессе потери агрегативной устойчивости ДС. Гетерокоагуляция – это …???... (дайте определение).

5. Всегда ли коагуляция в ДС приводит к седиментации частиц ДФ?

6. Объясните действие факторов, определяющих возможность коагуляции ДС.