Стабілізація колоїдних розчинів
Колоїдна хімія
Стабілізація колоїдних розчинів.
Нестійкість дисперсних систем
Дисперсні системи принципово термодинамічно стійкі.
На межі розділу фаз дисперсних систем відбуваються процеси, створені задля зменшення вільної поверхневої енергії, які призводять до зменшення дисперсності, тобто.до укрупнення частинок.
Тому відбувається злиття дрібних крапель у туманах, дощових хмарах та емульсіях, агрегація високодисперсних частинок у більші утворення.
Усе це призводить до руйнації дисперсних систем: тумани та хмари проливаються дощами, емульсії розшаровуються, колоїдні розчини коагулюють, тобто. поділяються на осад дисперсної фази (коагулят) та дисперсійне середовище або, у разі витягнутих частинок перетворюються на гель.
Здатність роздроблених систем зберігати властиву їм ступінь дисперсності називаєтьсяагрегативною стійкістю.
Способи стабілізації дисперсних систем
Запобігання агрегації (об'єднання) первинних дисперсних частинок можливе в результаті трьох факторів, що впливають на стійкість дисперсних систем:
2. Електричного та
Кінетичний фактор стійкості
Необхідною умовою злипання двох частинок дисперсної фази є їхнє зближення, достатнє для прояву сил тяжіння.
Якщо частота зіткнення колоїдних частинок мала, дисперсна система може бути стійкою. Це може мати місце при дуже малій концентрації дисперсних частинок (наприклад, у деяких аерозолях) або при дуже великій в'язкості дисперсійного середовища, наприклад, у системах, де дисперсна фаза, і дисперсійне середовище – тверді речовини.
Ми докладніше розглянь другий і третій фактори (електричний та структурно-механічний),що впливають стійкість, саме оскільки основі їх розроблено методи стабілізації дисперсних систем.
Більшість стійких дисперсних систем крім дисперсної фази та дисперсійного середовища, містять ще третій компонент, що є стабілізатором дисперсності.
Стабілізатором можуть бути як іони, так і молекули, у зв'язку з чим розрізняють два механізми стабілізації дисперсних систем:електричнийтамолекулярно-адсорбційний(структурно-механічний).
В основі обох механізмів лежитьадсорбція, але у разі електричного механізму на поверхні колоїдних частинок відбуваєтьсяадсорбція іонів, а у разі молекулярно-адсорбційного механізму -адсорбція молекул.
Електрична стабілізація дисперсних систем
Така стабілізація має основне значення для отримання стійких лізолей та суспензій у полярному середовищі, наприклад, у воді.
У будь-якому гідрозолі всі колоїдні частки мають однаковий знак заряду. Однак колоїдна міцела в цілому електронейтральна внаслідок утворення подвійного електричного шару.
Тому електростатичне відштовхування між колоїдними частинками (електричний фактор стійкості) виникає тільки при достатньому їх зближенні, коли відбувається перекриття їх іонних атмосфер.
Потенційна енергія електростатичного відштовхування тим більше, що більше перекриття дифузних частин подвійного електричного шару подвійного електричного шару колоїдних частинок, тобто. чим менша відстань між ними і чим більша величина подвійного електричного шару.
Крім електростатичного відштовхування між колоїдними частинками, як і між молекулами будь-якої речовини, діють міжмолекулярні сили тяжіння, серед яких найбільшу рольграютьдисперсійні сили.
Потенційна енергія взаємодії (U) між колоїдними частинками являє собою суму алгебри потенційної енергії електростатичного відштовхування (Uе) і потенційної енергії дисперсійного тяжіння (Uд) між ними:
Якщо сили відштовхування переважають над силами тяжіння, дисперсійна система стійка.
І навпаки, якщо сили тяжіння виявляються вищими, то відбувається злипання колоїдних частинок, що зіштовхуються при броунівському русі, у більші агрегати та їх подальша седиментація (осідання).Колоїдний розчин коагулює, тобто. поділяється на коагулят (осад) та дисперсійне середовище.
Таким чином, при стабілізації дисперсних систем домагаються того, щоб відштовхування сили між колоїдними частинками переважали над силами міжмолекулярного тяжіння.
У разі електричної стабілізації це здійснюється підтримкою щодо високого електричного потенціалу гранули колоїдної частинки (так званогоζ-потенціалу).
Колоїдні частинки, які не мають електричного заряду або мають малий заряд легко та швидко коагулюють.
Електрична стабілізація частинок може бути досягнута додаванням в зольелектроліту. При цьому дуже важливе значення матиме кількість доданого електроліту, оскільки електроліт, з одного боку, може стабілізувати золь, а з іншого – їх надмірне додавання призводить до коагуляції золів.
Молекулярно-адсорбційна стабілізація дисперсних систем Структурно-механічний фактор
Молекулярно-адсорбційна стабілізація дисперсних систем відіграє велику роль у стійкості дисперсій як у водному, так і в неводних середовищах.
Дисперсні системи в неводнихсередовищах у принципі менш стійкі, ніж у водному середовищі. У неполярному і не містить води дисперсійному середовищі частинки дисперсної фази позбавлені електричного заряду.Електричний фактор стабілізації відсутній.
Між дисперсними частинками є лише сили взаємного тяжіння. Ослаблення цих сил, що призводить до стабілізації дисперсних систем, може відбуватися в результаті утворення навколо колоїдних частинок адсорбційних шарів молекул дисперсійного середовища і розчинених в ній речовин.
Такі шари послаблюють взаємне тяжіння частинок дисперсної фази і створюють структурно-механічний барер, що перешкоджає їх зближенню.
Стабілізація дисперсних систем рахунок сольватації дисперсної фази молекулами дисперсійної середовища можлива як і полярних, і у неполярних середовищах.
Так, гідратація частинок глини та крем'яної кислоти має істотне значення для стійкості суспензій глин та золю крем'яної кислоти у водному середовищі.
Однак, стабілізація дисперсних систем значно більш ефективна при додаванні до них поверхнево-активних речовин (ПАР) і високомолекулярних сполук, що адсорбуються на межі розділу фаз.
Адсорбційні шариПАВта високомолекулярних сполук, володіючи пружністю та механічною міцністю, надійно запобігають злипанню дисперсних частинок.
Утворення таких молекулярно-адсорбційних твердоподібних поверхневих верств радянський фізик П.А. Ребіндер назвавструктурно-механічним фактором стабілізації дисперсних систем.
Цей механізм відіграє основну роль при отриманні гранично стійких висококонцентрованих пін, емульсій, колоїдних розчинів і суспензій у неводних, а й у водних середовищах.
Для структурно-механічної стабілізаціїдисперсій у водному середовищі застосовують мила лужних металів, білки, крохмаль, а неводних середовищах – мила лужноземельних металів, смоли каучуки. Такі речовини називають захисними колоїдами.