Краткие теоретические сведения. Коллоидные системы - это гетерогенные системы, содержащие вещества в высокодисперсном состоянии

Коллоидные системы - это гетерогенные системы, содержащие вещества в высокодисперсном состоянии. Степень раздробления частиц дисперсной фазы оказывает существенное влияние на свойства дисперсных систем. Однако эти свойства определяются не только размером частиц, большое влияние оказывают сама поверхность раздела между составляющими систему фазами и явления на границе частица - среда.

Известно, что всякая поверхность раздела между фазами характеризуется избытком свободной поверхностной энергии (F_1,2), которая связана с некомпенсированностью межмолекулярных сил в поверхностном слое, поскольку межмолекулярные силы сцепления в граничащих фазах неодинаковы. Свободная поверхностная энергия, отнесенная к единице поверхности, называется удельной свободной поверхностной энергией или поверхностным натяжением (σ):

σ = F_1,2 / S_1,2 (7.1)

Очевидно, что свободная поверхностная энергия системы (F_1,2) пропорциональна общей поверхности раздела фаз (S_1,2):

F_1,2 = σ S_1,2 (7.2)

Поскольку для дисперсных коллоидных систем значение S_1,2 очень велико, то F_1,2 составляет значительную величину. Согласно второму закону термодинамики при стремлении системы к равновесию:

F_1,2 → min и dF = σ dS + S dσ < 0 (7.3)

Следовательно, к уменьшению свободной поверхностной энергии системы могут вести два пути:

1) S_1,2 = const, dS_1,2 = 0, S dσ < 0, σ → min

- самопроизвольное уменьшение поверхностного натяжения;

2) σ = const, dσ = 0, σ dS < 0, S_1,2 → min

- самопроизвольное уменьшение поверхности раздела фаз в системе.

Следовательно, любая коллоидная система термодинамически неустойчива, в ней возможны самопроизвольные процессы, приводящие к уменьшению поверхностного натяжения и суммарной поверхности раздела.

Под устойчивостью дисперсной системы понимают постоянство во времени ее состояния и основных свойств: дисперсности, равномерного распределения частиц дисперсной фазы в объеме дисперсионной среды и характера взаимодействия между частицами. Дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой по характеру взаимодействия фаз подразделяются на лиофильные и лиофобные.

Лиофильные системы диспергируются самопроизвольно, так как свободная энергия в таком процессе уменьшается, и образуются термодинамически устойчивые коллоиды:

∆F=∆U-T∆S< 0. (7.4)

Лиофобные системы самопроизвольно не диспергируются, величина ∆F>0, такие коллоиды термодинамически неустойчивы, однако кинетически они вполне устойчивы, не изменяются заметно в течение длительного времени.

В лиофобных системах сольватация поверхности частичек растворителем слабая и не может скомпенсировать избыточную поверхностную энергию. Поэтому частички дисперсной фазы могут слипаться друг с другом в более крупные агрегаты. Этот процесс называется коагуляцией, от латинского coagulatio – свертывание, сгущение. При этом удельная площадь поверхности, а вместе с ней и избыточная свободная поверхностная энергия снижается. Если дисперсная фаза состоит из капелек жидкости, то процессих слияния называется коалесценцией.

Н. П. Песков (1920) ввел понятие о двух видах устойчивости дисперсных систем: седиментационной (кинетической) и агрегативной.

Седиментационная устойчивость позволяет системе сохранять равномерное распределение частиц в объеме, то есть противостоять действию силы тяжести и процессам оседания или всплывания частиц. Основными условиями этой устойчивости являются высокая дисперсность и участие частиц дисперсной фазы в броуновском движении.

Агрегативная устойчивость – это устойчивость по отношению к слипанию частичек коллоидной системы в более крупные агрегаты. Иногда в качестве отдельного вида выделяют устойчивость дисперсной системы по отношению к расслоению фаз – фазовую устойчивость. Расслоению может предшествовать коацервация (coacervatio – накопление), то есть выделение в растворе капель, обогащенных растворенным веществом. Дальнейшее слияние этих капель ведет к разделению жидкости на две макрофазы: коацерват – фазу, которая обогащена растворенным веществом, и жидкость, находящуюся с ней в равновесии. Это явление особенно характерно для растворов высокомолекулярных соединений.