Устойчивость коллоидных систем. Коагуляция коллоидных растворов

Будучи системой термодинамически неустойчивой дисперсная система должна со временем разрушиться. Способность дисперсной системы сохранять в течение определенного времени свою структуру называется устойчивостью. Различают седиментационную и агрегативную устойчивость.

Седиментационная устойчивость – способность дисперсионной системы сохранять во времени неизменным распределение частиц по объему системы, т.е. способность противостоять действию силы тяжести. Седиментационная устойчивость возникает благодаря броуновскому движению коллоидных частиц, вызываемому беспорядочными ударами со стороны молекул среды, находящихся в тепловом движении. Его впервые наблюдал в 1827 году английский ботаник Броун (1773-1857 гг.). Именно поэтому движение частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде золя называется броуновским. Следствием броуновского движения является диффузия, которая выравнивает концентрацию частиц по всему объему, препятствуя седиментации, которая повышает концентрацию частиц в нижних слоях системы.

Седиментационная устойчивость определяется размерами частиц дисперсной фазы:

1) лиофобные золи (10^–7–10^–5 см) седиментационно устойчивы, частицы равномерно распредены в объеме;

2) микрогетерогенные системы (10^–5–10^–3 см) характеризуются установлением равновесия между процессами седиментации и диффузии, частицы по объему системы распределены неравномерно;

3) грубодисперсные системы (более 10^–3 см) – седиментационно-неустойчивые системы с быстрым оседанием частиц.

Агрегативная устойчивость дисперсной системы – способность сохранять во времени степень дисперсности неизменной, противостоять их слипанию – коагуляции.

Гидратная оболочка заметно снижает поверхностную энергию дисперсной фазы и тем самым уменьшает стремление частиц к укрупнению. Гидратная оболочка приводит также к разобщению частиц в коллоидном растворе, что повышает агрегативную устойчивость.

При некоторых условиях число противоионов в коллоидной частице может стать таким, что их заряд полностью нейтрализует заряд потенциал определяющих ионов, т.е. коллоидная частица станет незаряженной. Гидратная оболочка частицы разрушится. Не защищенные коллоидные частицы при столкновениях слипаются, укрупняются. Процесс укрупнения частиц, приводящий к потере устойчивости золя, называется коагуляцией. Коагуляция золя - самопроизвольный процесс приводит к уменьшению межфазной границы, потере золем его агрегативной устойчивости, которая выражается в образовании осадка.

Коагулирующей частью электролита являются ионы, которые несут заряд, противоположный по знаку заряду коллоидной частицы. Одним из основных методов коагуляции служит введение в коллоидную систему электролита, который имеет многозарядные противоионы по отношению к заряженным коллоидным частицам. Например, в раствор с отрицательно заряженными коллоидными частицами вводят сульфаты алюминия или железа (III). Адсорбция многозарядных ионов (Fe³⁺, Al³⁺) нейтрализует отрицательный заряд коллоидных частиц. Результатом является потеря гидратной оболочки, нарушение устойчивости золя, сопровождающееся его коагуляцией. Наименьшая концентрация электролита, выраженная в моль/л, которая вызывает коагуляцию 1 л коллоидного раствора, называется порогом коагуляции.

Коагулирующее действие электролита возрастает обратно пропорционально зарядности иона в шестой степени – правило значности Шульце-Гарди.

(7.35)

Помимо действия электролитов коагуляция может быть вызвана неэлектролитами, механическим воздействием, сильным охлаждением или нагреванием, пропусканием электрического тока, действием лучистой энергии, длительным диализом.

Теория устойчивости лиофобных золей ДЛФО (Дерягин, Ландау, Фервей, Овербек) рассматривает процесс коагуляции как результат действия электростатических сил отталкивания и ванн-дер-ваальсовых сил притяжения, действующих между частицами дисперсной фазы. Соотношение этих сил в тонкой пленке жидкости между частицами вызывает либо их взаимное отталкивание - положительное расклинивающее давление, вызванное поступлением дисперсионной среды в пространство между частицами, либо отрицательное давление, приводящее к утончению жидкой прослойки и слипанию частиц.