Причины устойчивости коллоидных систем

Устойчивость коллоидных систем зависит от действия трех факторов: электрического, структурно-механического и кинетического.

Электрические свойства коллоидных растворов объясняют их агрегативную устойчивость, которая проявляется в том, что частицы дисперсной фазы в коллоидном растворе не укрупняются, не слипаются. Сохранение коллоидной степени дисперсности во времени обусловлено прежде всего наличием одноименного электрического заряда частиц дисперсной фазы, вызывающего их взаимное отталкивание. С увеличением электрокинетического (дзета) потенциала растет устойчивость коллоидных систем.

Наличие электрического заряда у частиц дисперсной фазы приводит к их значительной гидратации (полярные молекулы воды определенным образом ориентируются относительно заряженных частиц и вступают с ними во взаимодействие). 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, а иногда даже обеспечивает сохранение коллоидной степени дисперсности.

На устойчивость коллоидной системы оказывает большое влияние стабилизатор — вещество ионного или молекулярного строения, адсорбирующееся на ядрах частиц. При ионном стабилизаторе вокруг ядер мицелл возникают двойные электрические слои, затрудняющие их объединение (электрический фактор).

При молекулярном стабилизаторе ионные слои не образуются, а на адсорбированных молекулах за счет межмолекулярных сил возникают сольватные оболочки (слои) из молекул дисперсионной среды, мешающие объединению частиц.

Неустойчивые золи гидрофобных коллоидов, которые легко коагулируют, можно сделать очень устойчивыми по отношению к воздействию электролитов, добавляя к ним небольшое количество какого-либо гидрофильного коллоида, например желатина, гуммиарабика, гуминовых веществ и др. Такое защитное действие оказывают гидрофильные коллоиды и на суспензии, частицы которых в их присутствии осаждаются чрезвычайно медленно. В природе роль защитных коллоидов играют гуминовые вещества, чаще всего по отношению к гидроксидам железа и алюминия.

Механизм защиты сводится к тому, что гидрофильные вещества, адсорбируясь на поверхности гидрофобных частиц, способствуют образованию вокруг частиц гидрат - ных слоев за счет вандерваальсовых сил, водородных и координационных связей. Б. В. Дерягин доказал, что эти слои препятствуют сближению частиц и для преодоления их сопротивления требуется затратить работу.

Минимальное количество гидрофильного вещества, вызывающее устойчивость гидрофобных коллоидов, называется по защищаемому коллоиду «золотым числом», «серебряным числом», «рубиновым числом» и т.д. Например, «золотое число» показывает количество миллиграммов стабилизатора, которое следует добавить к 10 мл 0,0006% золя золота, чтобы защитить золь от коагуляции одним миллилитром 10%-ного раствора NaCl, например, желатина — 0,08 мг; казеина — 0,01 мг; крахмала — 25 мг.

Зольные числа тем меньше, чем сильнее защитное действие. Эти числа условны, резко изменяются при переходе от одной системы к другой, но имеют большое практическое значение в технологии и анализах в производственных лабораториях. Зольные числа зависят от природы высокомолекулярного соединения и коллоидной системы. Например, защитное действие казеина по отношению к гидрозолю золота, как видно из приведенных данных, в 2500 раз больше, чем крахмала, а защитное действие казеина по отношению к золю конго рубина больше крахмала только в 50 раз.

Такое же защитное действие на гидрофобные коллоиды оказывают поверхностно-активные вещества (ПАВ), в молекулы которых одновременно входят и неполярная углеводородная цепь и полярные группы (например, -ОН, -СООН, -NH2, -СН2ОН, -N02, -S03H и др.), но в этом случае большое значение имеет характер ориентации ПАВ в адсорбционном слое. Полярная группа этих молекул вызывает сродство молекулы к полярной фазе (например, в воде), так как между полярными группами более сильное межмолекулярное притяжение, а неполярная или менее полярная углеводородная цепь ориентируется к неполярной фазе. Таким образом, поверхностно-активные молекулы обладают двойным сродством, одновременно с полярной и с неполярной фазами. Концентрируясь, или адсорбируясь, на поверхности раздела фаз, поверхностно-активные вещества снижают поверхностное натяжение, уменьшают значение свободной энергии и делают поверхность раздела фаз термодинамически более устойчивой.

Устойчивость коллоидных систем в водной среде более высокая, если полярные группы ПЛВ адсорбционного слоя обращены в воду, так как только при этом увеличивается гидрофильность поверхности. Установлено, что адсорбционные слои не всегда бывают сплошными. Во многих случаях стабилизация системы наступает при покрытии монослоем всего 40—60% поверхности коллоидных частиц, когда защитный слой имеет прерывный характер. Но максимальная устойчивость некоторых коллоидных систем зависит от образования полного мономолекулярного слоя (например, при добавлении желатина к золям золота или суспензиям кварца).

Можно сделать вывод: принцип получения устойчивых коллоидных систем, т.е. принцип стабилизации коллоидов, заключается в уменьшении поверхностной энергии в результате адсорбции поверхностно-активных веществ на коллоидных частицах.

Слои с адсорбированными молекулами ПАВ обладают упругостью и механической прочностью, в результате чего предотвращается слипание дисперсных частиц. Образование молекулярно-адсорбционных твердообразных слоев П. В. Ребиндер назвал структурно-механическим фактором стабилизации.

Кинетический фактор стабилизации коллоидных систем проявляется в средней кинетической энергии поступательного (теплового и др.) движения частиц дисперсной фазы и в средней свободной поверхностной энергии.

Возрастание средней кинетической энергии системы приводит к кинетической устойчивости (устойчивость против осаждения частиц). Возрастание свободной поверхностной энергии, приходящееся на одну частицу дисперсной фазы, снижает агрегативную устойчивость (устойчивость против слипания частиц).

Повышение температуры коллоидной системы оказывает двойственное действие на устойчивость системы. Увеличение температуры увеличивает кинетическую и уменьшает агрегативную устойчивость. С возрастанием кинетической энергии поступательного движения частиц они сближаются друг с другом на расстояния, при которых проявляются межмолекулярные силы притяжения, приводящие к укрупнению частиц.

Увеличивает устойчивость системы явление диссолю- ции — процесс постепенного растворения частиц, уменьшающий их линейные размеры.

Малые различия плотности и вязкости дисперсионной среды и дисперсной фазы способствуют устойчивости дисперсной системы. В этих условиях хаотическое движение частиц преобладает над силой тяжести, что вызывает увеличение кинетической устойчивости.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >