5.3.4. Потенциальные кривые взаимодействия частиц

Взаимодействие двух частиц дисперсной фазы характеризуют с помощью потенциальных кривых – зависимостей энергий взаимодействия между частицами от расстояния (рис. 5.6).

В соответствии с теорией ДЛФО соотношения (5.18)–(5.22) определяют поведение дисперсных систем, их устойчивость или скорость коагуляции зависят от знака и значения общей потенциальной энергии взаимодействия частиц U(h).

На малых (h → 0) и на больших расстояниях при (h > 200 нм) преобладает энергия взаимного притяжения, а на средних расстояниях – энергия электростатического отталкивания.

В результате геометрического сложения этих двух кривых (потенциальных кривых притяжения и отталкивания) получается результирующая кривая (U(h)) – полная энергия системы (суммарная энергия взаимодействия).

На потенциальной кривой суммарной энергии взаимодействия можно выделить три участка:

1 – область первичного минимума – непосредственное слипание частиц. Коллоидная система с частицами, находящимися друг от друга на малых расстояниях коагулирует в результате ближнего взаимодействия. Осадки получаются плотными и необратимыми, т.к. энергия притяжения намного превышает энергию отталкивания.

Рис. 5.6. Зависимость энергии притяжения, отталкивания и суммарной энергии взаимодействия частиц от расстояния h

3 – область вторичного минимума – притяжение частиц через прослойку среды. Коллоидная система коагулирует в результате дальнего взаимодействия, осадки получаются рыхлыми и обратимыми, т.к. минимум не глубокий. Вторичному минимуму соответствует явление флокуляции или образование коагуляционных структур.

2 – область с преобладанием сил отталкивания между мицеллами – система агрегативно устойчива – наличие потенциального барьера, препятствующего слипанию частиц. Нарушить эту устойчивость (снизить потенциальный барьер) можно двумя путями: путем повышения температуры, при этом происходит повышение кинетической энергии частиц, что приведет к увеличению числа столкновений; добавить в систему электролит, при этом произойдет сжатие ДЭС, в результате чего частицы могут подойти друг к другу на меньшие расстояния, где усиливаются силы притяжения. Для того чтобы ответить на вопрос об устойчивости дисперсной системы необходимо оценить высоту потенциального барьера (2) и глубину вторичного минимума (3) и сравнить с энергией броуновского движения kT. Рассмотрим следующие случаи:

Рис. 5.7. Случай А	А. Высота потенциального барьера 2 много больше энергии броуновского движения частиц >> kT, глубина вторичного минимума 3 много меньше энергии броуновского движения частиц << kT (рис. 5.7). В данном случае преобладает энергия отталкивания – система агрегативно устойчива.
Рис. 5.8. Случай Б	Б. Высота потенциального барьера 2 и глубина вторичного минимума 3 много меньше энергии броуновского движения частиц << kT (рис. 5.8). Частицы сближаются за счет кинетической энергии до наименьшего возможного расстояния (порядка долей нм) с уменьшением общей энергии системы U(h) на величину, равную глубине
первичного минимума 1. Коагуляция происходит в результате ближнего взаимодействия частиц и идет необратимо.
Рис. 5.9. Случай В	В. Глубина вторичного минимума 3 достаточно велика и много больше энергии броуновского движения частиц >> kT (рис. 5.9). Независимо от высоты потенциального барьера происходит дальнее взаимодействие между частицами на расстоянии порядка 100 нм, отвечающем области вторичного минимума – частицы

взаимодействуют друг с другом через прослойку среды и совершают совместное броуновское движение.

К паре частиц могут присоединяться на дальних расстояниях другие частицы с образованием более сложных структур. Происходит структурирование золя, при этом дисперсность, удельная поверхность и свободная поверхностная энергия системы не изменяются. Установлено, что в результате дальнего взаимодействия образуются периодические коллоидные структуры. Дальнее взаимодействие между частицами часто наблюдается в золях оксидов и гидроксидов, именно такие системы способны к пептизации.