6.3 Гідрофільні та гідрофобні колоїдні системи

Велике значення в характеристиці дисперсних систем має інтенсивність молекулярної взаємодії між дисперсійним середовищем і дисперсною фазою на межі розділу фаз, де проходить явище змочування.

Змочування – прилипання молекул рідини до поверхні зануреного в неї твердого тіла. Змочування рідиною твердого тіла можна розглядати як результат дії сил поверхневого натягу.

• Якщо дисперсійним середовищем є вода, то колоїдні дисперсні системи називаються гідрофільними і гідрофобними. Поверхня, яка добре змочується водою називається гідрофільною (любить воду), а яка погано змочується водою (свічка) – гідрофобною (не любить воду).

Коли розмова йде про змочування маслом, говорять – олеофільна поверхня (олеум – масло).

Розглянемо процеси, які проходять в дисперсній системі під час приготування бурових розчинів. Частинки твердої фази, наприклад глини, в гідрофільній колоїдній системі легко диспергуються, тобто розпадаються на елементарні частинки. В результаті порушення молекулярних зв’язків поверхня частинки дисперсної фази виявляється зарядженою від’ємним знаком. Молекули води, являючись диполями, притягуються своїми позитивно зарядженими кінцями до негативно зарядженої поверхні твердої частини (проходить процес змочування). При цьому утворюється плівка товщиною до 6 . 10^-6 мм, тобто проходить процес адсорбації з утворенням прошарку зв’язаної води.

Молекули зв’язаної води, які складають так звану граничну фазу, створюють притягувальний вплив на оточуючі молекули і іони, в результаті чого утворюється дифузна оболонка.

• Адсорбований і дифузійний прошарки утворюють навколо твердої частинки гідратну оболонку, яка запобігає злипанню частинок між собою. В загальному випадку дисперсійним середовищем може бути і не вода. Тоді оболонка навколо твердої частинки називається сольватною.

• Частинка дисперсної фази з оболонкою одержали назву міцели (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 – Схема міцели

Вода в дисперсній системі, яка не зв’язана молекулярними силами взаємодії з твердою поверхнею, називається вільною водою.

Чим інтенсивніше диспергована тверда фаза, тим відносно більша кількість зв’язаної води в системі і менша кількість вільної води.

Гідратна оболонка розвинена нерівномірно. Найбільша її товщина по плоских поверхнях частин, найменша – на гострих гранях і кутах. Гідратні оболонки характеризують стабільність дисперсної системи, вони захищають частинки твердої фази від агрегатування (див. нижче) і випадання із розчину.

Гідрофільні колоїдні системи характеризуються відносною стійкістю – стабільністю в часі, тобто між частинками дисперсної фази і дисперсійного середовища існує високо-інтенсивна молекулярна взаємодія.

Гідрофобні колоїдні системи характеризуються слабкою молекулярною взаємодією частинок дисперсної фази і дисперсійного середовища (частинки дисперсної фази не покриваються міцною гідратною оболонкою і тому такі системи нестійкі).

Вони можуть бути стабілізовані шляхом створення на частинках дисперсної фази абсорбційних прошарків деяких поверхнево активних речовин (ПАР). Такі речовини одержали назву стабілізаторів.

Адсорбція ПАР (стабілізатора) викликає зміну властивостей поверхні розділу фаз, підсилення інтенсивності молекулярної взаємодії між дисперсною фазою і дисперсійним середовищем.

Міцела стабілізованої гідрофобної системи представляє собою елементарну частину, яка складається з частинки дисперсної фази, адсорбційного прошарку стабілізатора і гідратної оболонки.

Стабілізовані гідрофобні дисперсні системи об’єднують велику групу бурових розчинів, дисперсна фаза яких представлена продуктами руйнування гірських порід.

Але крім адсорбції на поверхні частин твердої фази проходять наступні процеси:

• іонний обмін (реакція заміщення), коли в кристалічній решітці мінералів катіони заміщуються катіонами дисперсійного середовища;

• необмінне заміщення органічних і неорганічних катіонів і цілих груп;

• приєднання, коли утворюються нові хімічні сполуки.

Катіон (від грецького слова kation – ідучий вниз ), позитивно заряджений іон.

Всі ці процеси проходять одночасно. Вони визначають механізм інгібування (зниження гідрофільності), стабілізації і колоїдного захисту в бурових розчинах. Інтенсивність всіх явищ на поверхні частинок твердої фази збільшується з ростом дисперсності.