Золі та суспензії
Золі та суспензії - розділ Хімія, Предмет колоїдної хімії Золі та Суспензії, а також їх похідні – гелі та пасти – є різновидними.
Золі та суспензії, а також їх похідні – гелі та пасти – є різновидом того самого типу дисперсних систем – Т/Ж, які відрізняються розмірами та концентрацією дисперсної фази. Поряд із загальними властивостями ці системи мають специфічні, властиві лише їм властивості.
Золі(від нім. Sol - колоїдний розчин) - це високодисперсні колоїдні системи; розмір частинок дисперсної фази в золях становить 10-9-10-7 м (1-100 нм). Золі з водним дисперсійним середовищем називаютьгідрозолями, з органічною -органозолями.Гідрозолем, наприклад, є водопровідна вода, що містить домішки в колоїдному стані.
Внаслідок малого розміру частинки дисперсної фази золю перебувають у постійному тепловому русі, що сприяє седиментаційній стійкості таких систем – розподіл частинок за обсягом системи залишається постійним у часі.
Незважаючи на високі значенняGпов, золі можуть бути агрегативно стійкими і не коагулювати скільки завгодно довго. У цьому випадку їхня стійкість до коагуляції забезпечується утворенням на частинках сольватних, адсорбційних або подвійних електричних шарів, що сприяють зниженню міжфазового натягу та створенню потенційного бар'єру.
Агрегативна стійкість золів, як і будь-яких інших ліофобних дисперсних систем, підвищується у присутності стабілізатора. Наприклад, при додаванні до золю високомолекулярної речовини макромолекули його адсорбуються на поверхні колоїдних частинок, утворюючи 3-мірну захисну оболонку. При цьому важливо правильно підібрати концентрацію стабілізатора, що вводиться. При його нестачі можлива освітафлокул, у яких частинки пов'язані один з одним містками полімерних молекул (див. рис. 40). Такий процес називаютьфлокуляцією(від латів. flocculi - шматки, пластівці), а речовини, що його викликають -флокулянтами. Тому для кількісної оцінки захисної дії визначають мінімальну масу ВМС, достатню для запобігання коагуляції частинок 10 см 3 золя. Назва цієї величини залежить від виду золя, що захищається від коагуляції. Наприклад, у разі золю гідроксиду заліза це "залізне число", золя гідроксиду золота - "золоте число".
При руйнуванні захисних поверхневих шарів і знятті потенційного бар'єру золі, як і всі дисперсні ліофобні системи, стають агрегативно нестійкими і коагулюють.
Суспензії(від латів. suspendo – підвішую) – це дисперсні системи з твердою дисперсною фазою та рідким дисперсійним середовищем. Суспензії є середньо- та грубодисперсними системами. Цим вони якісно відрізняються від золів.
Суспензії є більш агрегативно стійкими системами порівняно із золями, так як містять великі частинки (а10 -7 м), отже, їх питома поверхня і вільна поверхнева енергія невеликі. Однак через великий розмір частинки не можуть брати участь у тепловому русі, що зумовлює седиментаційну нестійкість суспензій.
Агрегативна стійкість суспензій забезпечується спорідненістю дисперсної фази та дисперсійного середовища та наявністю стабілізаторів.
Якщо частинки дисперсної фази добре змочуються дисперсійним середовищем, то біля їхньої поверхні утворюється сольватна оболонка, яка перешкоджає злипанню частинок. В цьому випадку стабілізатор не потрібний. Агрегативно стійкими є суспензії полярних частинок у полярних рідинах або неполярних – неполярних.Наприклад, суспензія кварцу у воді.
Якщо частинки суспензії погано змочуються дисперсійним середовищем, то підвищення агрегативної стійкості суспензії потрібен стабілізатор. Механізм дії стабілізатора залежить з його природи.
Механізм стабілізації суспензій колоїдними ПАР та ВМС аналогічний механізму стабілізації емульсій – адсорбція на міжфазній поверхні та утворення адсорбційних плівок. Стабілізуюча дія колоїдних ПАР проявляється тим сильніше, чим більша різниця полярності дисперсної фази та дисперсійного середовища.
Наприклад, для стабілізації суспензії сажі у воді можна використовувати олеїновокислий натрій, молекула якого своєю неполярною частиною адсорбується на поверхні частинок сажі, а полярною частиною орієнтується в полярну фазу - воду. В результаті поверхня сажі стає гідрофільною, тобто набуває здатності змочуватися водою і агрегативна стійкість суспензії підвищується.
Вибір ПАР для стабілізації суспензій, як і для емульсій, здійснюють виходячи з значення ГЛБ. Для стабілізації суспензій з неполярним дисперсійним середовищем застосовують ПАР з низькими значеннями ГЛБ (3 - 6), наприклад, лецитин, ланолін і т.д. Якщо дисперсійним середовищем суспензії є полярна рідина, то як стабілізатори використовують ПАР з ГЛБ = 8 - 13, наприклад, солі вищих карбонових кислот.
При використанні ВМС як стабілізатор істотний внесок у підвищення агрегативної стійкості вносить ентропійний фактор. При зближенні частинок зменшується кількість можливих конформацій макромолекул у захисних оболонках, що призводить до зниження ентропії системи, тому частки прагнуть відштовхнутися одна від одної.
Як стабілізатори часто застосовують білки, альгінати, карбоксиметилцелюлозу та ін.
Висококонцентровані золі називаютьгелями, а висококонцентровані суспензії -пастами. Гелі та пасти є структурованими системами. Через наявність структури вони мають низку нових властивостей, званих структурно-механічними, - в'язкістю, пружністю, пластичністю.
На відміну від суспензій, пасти є седиментаційно-стійкими системами. Під агрегативною стійкістю паст мається на увазі їх здатність зберігати постійної в часі просторову структуру - товщину прошарків рідини і міцність контакту в структурній сітці. Зменшенню товщини прошарків перешкоджає структурування, яке посилюється під час використання стабілізаторів.
У природних умовах утворення суспензій відбувається при розмиванні ґрунтів та ґрунтів водою, забрудненні водойм атмосферним пилом. Суспензії широко використовують у будівельній технології, у виробництві кераміки, пластмас, лакофарбових матеріалів, паперу та ін. У вигляді суспензій застосовують деякі добрива та пестициди, багато лікарських препаратів. Суспензіями є багато харчових продуктів і напівпродуктів, наприклад, помадні, шоколадні та горіхові маси, какао терте, фруктово-ягідне пюре, деякі молочні напої та соєве молоко, гірчиця.