Факторы устойчивости коллоидных растворов

Агрегативная устойчивость дисперсных систем определяется термодинамическими и кинетическими факторами.

Термодинамические факторы, действие которых направлено на снижение поверхностного натяжения и увеличение энтропии, уменьшают вероятность эффективных соударений между частицами, создают потенциальные барьеры:

1. электростатический фактор заключается в уменьшении поверхностного натя­­же­ния вследствие возникновения двойного электрического слоя на поверхности частиц (в соответствии с уравнением Липпмана). Он способствует созданию электростатических сил отталкивания, возрастающих при увеличении потенциала поверхности частиц  и особенно электрокинетического потенциала  ;

2. адсорбционно-сольватный фактор состоит в уменьшении межфазного натяжения и энергии Гиббса поверхности раздела в результате взаимодействия частиц с дисперсионной средой (уравнение Дюпре) или благодаря адсорбции стабилизаторов (адсорбционное уравнение Гиббса);

3. энтропийный фактор проявляется в стремлении дисперсной фазы к равномерному распределению по объему системы за счет теплового движения. Он является дополнительным к двум первым факторам и действует в высокодисперсных системах, частицы дисперсной фазы которых участвуют в броуновском движении.

Кинетические факторы устойчивости (стабилизации) снижают скорость столкновения частиц, влияя в основном на гидродинамические свойства систем:

1) структурно-механический связан с образованием на поверхности частиц защитных слоев (пленок), обладающих упругостью, механической прочностью и стойкостью к разрушению (на разрушение таких защитных слоев требуются энергия и время);

2) гидродинамический - снижение скорости движения и соответственно скорости агрегации вследствие изменения вязкости среды, плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды.

В реальных системах агрегативная устойчивость обычно обусловливается одновременным действием нескольких факторов. При этом основную роль играют два фактора: электростатический барьер, создаваемый силами оттал­кивания, и адсорбционно-сольватный барьер, окружающий частицу и механи­чески препятствующий ее сближению с другими частицами.

Коагуляция коллоидных растворов

Укрупнение частиц дисперсной фазы при потере агрегативной устойчивости достигается в результате изотермической перегонки (растворение мелких и рост крупных частиц в соответствии с уравнением Кельвина) или за счет слипания (слияния) частиц – коагуляции. Наиболее распространен последний процесс.

Факторы и стадии коагуляции

Коагуляцию могут вызвать различные факторы: механические воздействия (интенсивное встряхивание, перемешивание, перекачивание по трубам), воздействие ультразвука и электрического поля, действие света и различного рода излучений, изменение температуры (сильное нагревание или охлаждение вплоть до замораживания), сильное разбавление или концентрирование (изменение состава дисперсионной среды и др.). Однако наиболее важную роль в коагуляции играют электролиты. При добавлении к коллоидным растворам они чрезвычайно быстро и резко влияют на толщину двойного электрического слоя и потенциал, являющийся одним из главных факторов устойчивости гидрофобных коллоидов.

Во всяком процессе коагуляции различают скрытую и явную коагуляцию. На первой стадии, которая в коллоидных системах заканчивается, как правило, очень быстро, частицы, хотя и укрупняются, осадка еще не образуют. В некоторых случаях удается заметить внешние проявления скрытой коагуляции: усиление опалесценсии, изменение окраски, помутнение золя и т.п.

Вторая стадия, наступающая в результате дальнейшей агрегации частиц, завершается за определенное время полным разделением системы на две фазы и выпадением (седиментацией) частиц или всего коллоидного вещества в осадок. Последний, получивший наименование коагель или коагулят, имеет определенную структуру.

Таким образом, процесс коагуляции может заканчиваться или осаждением частиц, или структурообразованием. Это зависит от природы системы и концентрации дисперсной фазы.

Вопросами структурообразования дисперсных систем особо плодотворно занимались Ребиндер и его школа. Ими были получены два типа структур:

1) рыхлые коагуляционные, образованные путем коагуляции частиц дисперсной фазы за счет слабых Ван-дер-Ваальсовых сил. Такие коагели легко и обратимо пе­реходят в коллоидный раствор (гидроксиды металлов, бентонитовые глины и др.);

2) прочные конденсационно – кристаллизационные, образованные путем срастания мелких кристалликов с участием химических связей главных валентностей. Они необратимы, имеют жесткую пространственную сетку и большую механическую прочность (металлические сплавы, бетон, горные породы).