2.3. Методы получения лиофобных коллоидных систем

Диспергирование

Диспергирование, т.е. дробление крупных частиц (капель) вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде (жидкость, газ) невозможно осуществить без совершения (затраты) определенной работы по увеличению поверхности раздела фаз (А_max = ΔG_пов = σ∙ΔΩ > 0, см. задача 1 к разделу 1). При этом “механическим” дроблением невозможно достичь коллоидной дисперсности – размера частиц менее 100 нм. Это возможно только при использовании энергии ультразвука или электрического тока (постоянного или переменного).

Конденсационные методы (методы укрупнения)

Суть конденсационных методов получения лиофобных коллоидных систем в том, что частицы формируются из атомов, молекул вещества дисперсной фазы в изначально гомогенной среде (растворе, газовой фазе). Иными словами, образование конденсированной фазы - твердой из жидкого раствора или жидкой из пара - напоминает самопроизвольный процесс образования дисперсной фазы в лиофильных коллоидных системах путем “самосборки” дифильных молекул в ассоциаты (см. раздел 2.1).

Однако чтобы самопроизвольное образование лиофобной коллоидной системы стало возможным (при практически полной нерастворимости вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде), необходимо, чтобы изначально однофазная система была термодинамически неустойчивой.

Как Вы должны помнить [2], таким свойством обладают неравновесные (пересыщенные) растворы (однофазные двух- или многокомпонентные системы). Знакомым примером являются пересыщенные растворы практически нерастворимых или малорастворимых твердых электролитов в воде, для которых ПК > ПР и твердая фаза (осадки) в объеме жидкой образуется самопроизвольно [2]; пересыщенный (в отношении своей жидкой фазы) пар. Таким путем получают обычно лиозоли (гидрозоли - в случае водной дисперсионной среды), аэрозоли, эмульсии (см. табл. 2.1).

Итак, необходимые (но не достаточные) условия получения лиофобных коллоидных систем – это: 1) нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде и 2) превышение растворимости вещества в исходном растворе над его растворимостью в дисперсионной среде (с_р(исх) > c_{р(конеч)} моль/л, т.е. пересыщение раствора в отношении образующейся фазы).

Однако даже при использовании конденсационных методов для получения устойчивых к агрегации лиофобных коллоидных систем недостаточно только дисперсионной среды и вещества дисперсной фазы и требуются добавки веществ-стабилизаторов. Стабилизаторы снижают удельную свободную поверхностную энергию на образующейся поверхности раздела фаз (σ) за счет образования адсорбционных или ионно-адсорбционных слоев на поверхности малых частиц, т.е. уменьшают избыточную свободную поверхностную энергию (G_пов = σ∙Ω Дж) и препятствуют агрегации частиц дисперсной фазы. О способах стабилизации лиофобных коллоилных систем – см. раздел 2.4.

Образование дисперсной фазы при ее конденсации в объеме исходной однофазной системы проходит три основные стадии (см. курс лекций):

1. Образование зародышей новой фазы – частиц минимально возможного (критического) размера с радиусом r_кр, которые термодинамически устойчивы в данных условиях (для этого нужно поддерживать пересыщение дисперсионной среды в отношении очень малых частиц новой фазы, уравнение 2.9);

2. Рост зародышей критического размера (увеличение размера r > r_кр без уменьшения концентрации частиц дисперсной фазы, т.е. увеличение площади поверхности раздела фаз);

3. Необратимая агрегация (укрупнение и слипание частиц, слияние капель) и разделение системы на макроскопические фазы (осаждение твердой фазы или расслаивание на две жидкие фазы). Эта стадия наблюдается только в отсутствие стабилизаторов.

Конденсационные методы подразумевают возможность как химической, так и физической конденсации новой фазы.

Химическая конденсация

Для получения коллоидной системы (лиофобного золя) этим методом чаще всего используют химическую реакцию в растворе, в результате которой образуется практически нерастворимое (или малорастворимое) вещество. Из реакций в водных растворах электролитов, знакомых Вам [2], к ним относятся окислительно-восстановительные (реакции а, б); реакции ионного обмена (в); гидролиза (г): а) 2 AuCl₃ + 3 CH₂O + 3 H₂O = 2 Au↓ + 3 HCOOH + 6 HCl,

б) 2 H₂S + O₂ = 2 H₂O + 2 S↓,

в) AgNO₃ + КCl = AgCl ↓ + KNO₃,

г) FeCl₃ + 3 H₂O = Fe(OH)₃↓ + 3 HCl.

Все эти реакции можно провести таким образом, что нерастворимые вещества останутся в коллоидной степени дисперсности, а не выпадут в осадок (раздел 2.4).

Физическая конденсация

К конденсационным относятся также методы получения лиофобных коллоидных систем, основанные на физических процессах. Например, при использовании метода замены растворителя образование коллоидной системы происходит, когда к истинному раствору какого-либо вещества в жидком растворителе добавляют другую жидкость, которая является для этого вещества плохим растворителем (осадителем), но при этом сама хорошо смешивается с исходным растворителем.

Движущей силой образования золя или эмульсии в этом случае также является различие в растворимости вещества дисперсной фазы в исходном растворителе и в его смеси с осадителем (с_р(исх) > c_{р(конеч)} моль/л), т.е. пересыщение смешанной дисперсионной среды веществом дисперсной фазы, что и приводит к образованию частиц (капель) новой фазы.