Стійкість і коагуляція дисперсних систем

Існує два поняття – агрегативна і кінетична нестійкість дисперсних систем. Агрегативна нестійкість виявляється в самовільному утворенні агрегатів з часток дисперсної фази системи з наступним їхнім злипанням унаслідок надлишку вільної поверхневої енергії на границі розподілу фаз.

Кінець кінцем це може привести до повного поділу системи на два шари, один із яких рідина (дисперсійне середовище), інший щільний осад (дисперсна фаза).

Кінетична (седиментаційна) нестійкість – результат того, що частки дисперсної фази під впливом сили ваги осідають за законом Стокса.

Запобігання агрегації первинних дисперсних часток можливо в результаті дії трьох факторів стійкості дисперсних систем: 1) кінетичного; 2) електричного; 3) структурно-механічного.

Більшість стійких дисперсних систем, крім дисперсної фази і дисперсійного середовища, містять третій компонент – стабілізатор дисперсності. Стабілізаторами дисперсності можуть бути як іони, так і молекули, у зв'язку з чим розрізняють два механізми стабілізації дисперсних систем: електричний і молекулярно-адсорбційний.

Електрична стабілізація дисперсних систем зв'язана з виникненням подвійного електричного шару на границі розподілу фаз. Така стабілізація має основне значення для одержання стійких ліозолей і суспензій у полярному середовищі, наприклад у воді.

На підставі загальних модельних уявлень Б.В. Дерягіним разом з Л.Д. Ландау була розвинута кількісна теорія коагуляції і стійкості дисперсних систем. Основу цієї фізичної теорії складає урахування молекулярних сил Ван-дер-Вальса взаємодії між колоїдними часточками та електростатичним відштовхуванням подвійних електричних шарів цих часточок при їхньому перекритті. Задача, таким чином, зводиться до розрахунку балансу сил зчеплення і відштовхування.

При зближенні двох міцел, у яких сума негативних зарядів дорівнює сумі позитивних, ніякої електричної взаємодії не відбувається, поки іонні атмосфери обох часточок не перекриються (рис. 5.6).

Рис 5.6. Схема перекривання іонних атмосфер двох колоїдних часток

При подальшому зближенні міцел у результаті перекриття іонних атмосфер виникають сили відштовхування між протилежно зарядженими іонами, що викликає їхній перерозподіл у просторі.

При зближенні двох одноатомних міцел визначається енергія їхньої взаємодії, що є результатом додавання молекулярних сил притягання й електричних сил відштовхування (5.6):

U = Uе + U_Д (5.6)

де: U – потенційна енергія взаємодії між колоїдними частками; Uе – потенційна енергія електричного відштовхування; U_Д – потенційна енергія дисперсійного притягання.

Якщо Uе > U_Д (за абсолютним значенням), то відштовхування переважає над притяганням, і дисперсна система стійка. Якщо Uе < U_Д, то відбувається злипання при броунівському руху колоїдних часток у більш великі агрегати і седиментація останніх. Колоїдна система коагулює.

Для цього звернемося до так званих потенційних кривих (рис. 5.7). На рис. 5.7 по осі ординат відкладена енергія взаємодії U двох часточок, що зближуються, (енергія відштовхування вважається позитивною, а енергія притягання негативною). На осі абсцис відкладена відстань між часточками. На рис. 5.7 зображені криві, що відповідають зближенню міцел звичайного золю, у яких часточки несуть подвійний електричний шар. Крива 1 – у лівій частині кривої, при малих значеннях Н, енергія молекулярної взаємодії змінюється обернено пропорційно квадрату відстані.

У правій частині, при порівняно великих значеннях Н, енергія молекулярного притягання внаслідок електромагнітного запізнювання змінюється обернено пропорційно кубу відстані. Розташування всієї кривої нижче осі абсцис свідчить про те, що при відсутності стабілізувального фактора часточки, що зштовхнулися, неминуче повинні злипнуться. У реальних умовах це відповідає двом часткам аерозолю або двом несольватованим часткам золю, що втратили заряд.

Рис.5.7. Потенційні криві для часточок у звичайному золі: 1 – зміна енергії молекулярного притягання; 2 – зміна енергії електричного відштовхування; 3 – результативна потенційна крива

Крива 2 характеризує зміну енергії електричного відштовхування між подвійними електричними шарами часточок, і тому уся вона розташована над віссю абсцис. Крива 3 є результативною потенційною кривою, що побудована на основі перших двох – геометричним додаванням їх координат.