ения, в то время как по-и молекулярных систем определяется

3. ГЕТЕРОГЕННОСТЬ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ КАК ОСНОВНОЕ ОТЛИЧИЕ ИХ ОТ МОЛЕКУЛЯРНЫХ РАСТВОРОВ

Мы уже говорили о том, что агрегативная неустойчивость -> специфическая особенность коллоидных систем. Это свойство коллоидных систем имеет большое практическое значение. Не будет преувеличением сказать, что основной задачей технолога производственного процесса, в котором имеют место коллоидные системы, является либо поддержание агрегативной устойчивости системы, либо, наоборот, обеспечение известных условий коагуляции.

Агрегативная неустойчивость является центральной проблемой коллоидной химии, и уже в начале курса следует хотя бы в самом общем виде рассмотреть, какие причины обусловливают агрега-тивную неустойчивость коллоидных систем и почему многие коллоидные системы, несмотря на их принципиальную агрегативную неустойчивость, существуют весьма продолжительное время. Причины неустойчивости коллоидных систем могут быть объяснены с двух точек зрения - термодинамической и кинетической.

Согласно термодинамике, агрегативная неустойчивость коллоидных систем обусловлена достаточно большой и всегда положительной свободной поверхностной энергией, сосредоточенной на межфазной поверхности системы. Поскольку поверхностная энергия представляет свободную энергию и так как все системы, обладающие избыточной свободной энергией, неустойчивы, это обусловливает способность коллоидных систем коагулировать. При коагуляции частицы слипаются, при этом межфазная поверхность хотя бы частично исчезает и, таким образом, уменьшается свободная энергия системы. Впрочем, Смолуховский, а в последнее время Г. А. Мартынов обратили внимание на то, что для уменьшения свободной энергии системы непосредственный контакт частиц не обязателен. Свободная энергия может уменьшаться и тогда, когда частицы не входят в непосредственное соприкосновение, а сближаются лишь на некоторое расстояние, позволяющее им взаимодействовать через слой, разделяющий их среды.

В самом деле, пусть

где F - свободная поверхностная энергия всей системы; st, % - межфазная поверхность; f - удельная свободная поверхностная энергия.

Величина f представляет собой сумму межфазной поверхностной энергии fa, определяемой состоянием монослоя на границе фаз, и свободной энергии fv вблизи поверхности, т. е. f = fa+ fv. Объемно-поверхностный вклад fv обусловлен изменением состояния слоев жидкости вблизи поверхности раздела фаз. Несмотря на то что вообще fa^fv, устойчивость системы "в большинстве случаев связана именно с изменением fv, так как при образовании агрегатов из твердых частиц граница раздела фаз обычно не исчезает. Поэтому в ходе коагуляции величина /а остается практически постоянной, а изменяется fv, причем степень изменения зависит от уменьшения расстояния между частицами. Конечно, все это не относится к эмульсиям, где имеет место коалесцеиция, то есть слияние частиц с полной ликвидацией первоначально разделяющей частицы межфазной поверхности.

Поскольку коллоидные системы, обладающие большой удельной поверхностью и большой свободной энергией, являются принципиально неравновесными системами, к ним неприложимо известное правило фаз. Такие системы, очевидно, всегда будут стремиться к равновесному состоянию, отвечающему разделению системы на две сплошные фазы с минимальной межфазной поверхностью, хотя это равновесие практически может никогда и не наступить. Термодинамическое толкование причин устойчивости или неустойчивости коллоидных систем чрезвычайно просто. Однако, как и всякая термодинамическая трактовка, это объяснение формально, т. е. она не раскрывает сущности свойства агрега-тивной неустойчивости. Кроме того, термодинамика не устанавливает связи между свободной энергией системы и тем, как долго система может пребывать в неравновесном состоянии. Поэтому более полным в данном случае является объяснение агрегативной неустойчивости или устойчивости коллоидных систем с позиций физической кинетики.

Согласно кинетическим представлениям неустойчивость или устойчивость коллоидной или микрогетерогенной системы определяется соотношением сил, действующих между отдельными ее часгицами. К таким силам относятся силы двух родов: силы сцепления, или аттракционные силы, стремящиеся сблизить частицы и образовать из них агрегат, и силы отталкивания, препятствующие коагуляции.

Силы сцепления имеют обычно ту же природу, что и межмолекулярные (ван-дер-ваальсовы) силы. Существенно, что силы, действующие между частицами, очень быстро возрастают при сближении частиц.

Силами отталкивания могут являться электрические силы, возникающие в результате избирательной адсорбции межфазной поверхностью одного из ионов электролита, присутствующего в системе. Поскольку частицы дисперсной фазы по своей природе одинаковы и адсорбируют всегда определенный ион, все они приобретают электрический заряд одного и того же знака и испытывают взаимное отталкивание, что препятствует сближению их на такие расстояния, где уже могут действовать весьма значительные аттракционные силы. Другой причиной, препятствующей сближению коллоидных частиц до расстояний, на которых начинают превалировать силы сцепления, может явиться образование на поверхности частиц сольватной оболочки из молекул среды. Такая оболочка возникает в результате адсорбции дисперсной фазой либо молекул среды, либо молекул или ионов третьего компонента (стабилизатора) системы. Помимо этих двух факторов существуют и другие факторы, обеспечивающие агрегатнвную устойчивость коллоидным системам. Подробно все факторы устойчивости рассмотрены в гл. IX.

Таким образом, относительная устойчивость коллоидной системы определяется тем, достаточно ли велики силы отталкивания, чтобы воспрепятствовать сближению частиц на близкие расстояния. Понятно, что такое объяснение не противоречит принципиальной неустойчивости огромного большинства коллоидных систем, поскольку при непосредственной близости поверхностей частиц силы сцепления, как правило, больше сил отталкивания и двум отдельным частицам энергетически обычно выгодней образовать агрегат. В дальнейшем мы увидим, что имеется много способов уменьшения сил отталкивания, и в частности, одним из таких способов является введение в систему электролитов.

4. РАСКЛИНИВАЮЩЕЕ ДАВЛЕНИЕ*

* Этот раздел главы написан Б. В. Дерягииым.

При утоньшении прослойки жидкости, разделяющей поверхности двух твердых тел или вообще двух любых адсорбировавших ионы фаз, между поверхностями этих фаз возникают* силы взаимодействия двоякого рода. Во-первых, силы, зависящие от притяжения между молекулами обоих тел, между молекулами жидкости и между молекулами жидкости и каждого тела (или фазы).

Если оба тела одинаковы, то эти силы приводят к притяжению тел, стремящемуся утоньшить прослойку жидкости. Во-вторых, в результате действия сил электрической природы между одинаковыми телами всегда возникает отталкивание, вызывающее утолщение жидкой прослойки. Поэтому, чтобы толщина прослойки не изменялась и система в целом сохраняла т

Коллоидные системы характеризуются высокой раздробленностью дисперсной фазы (дисперсностью): размер коллоидных частиц обычно составляет см. Высокая дисперсность обуславливает большую поверхность раздела фаз и как следствие - большую поверхностную энер­гию Гиббса формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook707/files/f287, (9.1)

где s - площадь поверхности раздела фаз, формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook707/files/f16.gif" border="0" align="absmiddle" alt=") получили название лиофобных дисперсных систем. Такие системы не могут быть получены самопроизвольным диспергированием, для их об­разования должна быть затрачена внешняя энергия.

Казалось бы, термодинамически неустойчивые системы не имеют права на существование, они должны быстро терять устойчивость и агре­гировать. Однако агрегативная устойчивость таких систем может быть обеспечена кинетическими факторами..gif" border="0" align="absmiddle" alt=" (9.2)

где к - константа, объединяющая физические свойства среды; формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook707/files/f289.gif" border="0" align="absmiddle" alt=".gif" border="0" align="absmiddle" alt=" (9.3)

Здесь формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook707/files/f292.gif" border="0" align="absmiddle" alt=" (9.4)

и графически передается кривой на рис. 9.1а.

Как видно из рис. 9.1а, на больших и очень малых расстояниях преобладает энергия притяжения частиц (U < 0); на средних расстояниях (формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook707/files/f294.gif" border="0" align="absmiddle" alt=" , препятствующему агрегации частиц.

Первый минимум (1) на кривой, соответствует непосредственному соприкосновению частиц, а второй (2) - притяжению частиц, между ко­торыми имеются прослойки среды.

Устойчивость лиофобных систем, стабилизированных электроли­тами, зависит от соотношения величины электростатического барьера и кинетической энергии частиц формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook707/files/f296.gif" border="0" align="absmiddle" alt=", то при столкновении частицы не способны подойти друг к другу на расстояние 1 нм и они не слипаются. Такая система устойчива кинетически, оставаясь неустойчивой термодинамически.

Если формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook707/files/f298.gif" border="0" align="absmiddle" alt=" и, согласно (9..gif" border="0" align="absmiddle" alt=" при повышении концентрации постороннего электролита в системе. При достаточно высокой концентрации электролита толщина диффузного слоя уменьшается практически до нуля (изоэлектрическое состояние), исчезает потенциальный барьер (кривая 4), частицы слипают­ся при всяком столкновении друг с другом.

Рис.9.1. Зависимость энергии взаимодействия двух частиц U от расстоя­ния между ними - х (а); влияние концентрации электролита на величину потенциального барьера выделение">рис. 9.2. случаях адсорбция ПАВ при­водит к снижению поверхностной энергии Гиббса и тем самым - к повы­шению термодинамической устойчивости системы (адсорбционно-сольватный фактор устойчивости).

Кроме того, адсорбированные молекулы ПАВ образуют структу­ры, обладающие повышенной вязкостью и механической прочностью, разрушение которых требует определенной энергии и времени. Эти ад­сорбционные слои являются как бы барьером на пути сближения частиц и их агрегации (структурно-механический фактор устойчивости).

В случае ультрамикрогетерогенных систем, кроме перечисленных факторов, действует ещё и энтропийный фактор устойчивости. Сущность его определяется стремленгем дисперсной фазы к равномерному распре­делению по объёму системы вследствие броуновского движения. Этот фактор повышает термодинамическую устойчивость систем, снижая их общую энергию Гиббса.

Действительно, при равномерном распределении дисперсной фазы по объёму хаотичность системы выше, чем когда частицы находятся в виде агрегатов на дне сосуда..gif" border="0" align="absmiddle" alt="

такой процесс идет с уменьшением энергии Гиббса формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook707/files/f301.gif" border="0" align="absmiddle" alt="

формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook707/files/f303.gif" border="0" align="absmiddle" alt=".gif" border="0" align="absmiddle" alt=" - время половинной коагуляции; к -константа скорости коагуляции. Константа к определяется соотношени­ем:

формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook707/files/f313.gif" border="0" align="absmiddle" alt=" (9.6)

Коагуляция лиофобных дисперсных систем может происходить в результате различных внешних воздействий: при нагревании или при охлаждении, перемешивании систем, действии ультразвука и т.д. Наибо­лее часто коагуляция дисперсных систем происходит при добавлении электролитов - электролитная коагуляция. Как уже описывалось выше, введете электролитов снижает высоту потенциального барьера оттал­кивания. Быстрая коагуляция наступает при введении определенного для данной системы количества электролита, при котором кинетическая энергия большинства частиц превышает величину указанного барьера. Это количество электролита в моль, вызывающее коагуляцию 1 литра золя называют порогом коагуляции Ск.

Коагулирующая способность электролитов зависит от заряда и ра­диуса ионов: порог коагуляции обратно пропорционален заряду (валентности) противоиона z в шестой степени (правило Шульца - Гарди):

Агрегативная устойчивость такого золя обеспечивается ионным фактором устойчивости. Потенциалобразующими (неиндифферентными) ионами при данном методе получения золя являются ионы формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook707/files/f238.gif" border="0" align="absmiddle" alt=" и формула мицеллы золя имеет вид:

формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook707/files/f206.gif" border="0" align="absmiddle" alt=" образуются сравнительно не­большие по размерам седиментационно - устойчивые агрегаты. Что при­водит к повышению светорассеяния системы и, соответственно, - к уве­личению её оптической плотности. Поэтому исследование коагуляции в данном случае удобнее всего проводить с помощью турбидиметрического метода, измеряя оптическую плотность растворов золя.

Итак, возникновение электрокинетических явлений обусловлено диффузным строением двойного электрического слоя. Разноименность зарядов фаз приводит к перемещению противоионов вместе с жидкой фазой (электроосмос), а в случае дисперсной системы - к перемещению частиц дисперсной фазы (электрофорез). При этом действующая электрическая сила (равная произведению заряда на градиент потенциала) будет тем больше, чем больше зарядов диффузного слоя окажется в подвижной жидкости. Таким образом, электрокинетические явления должны быть развиты тем сильнее, чем больше подвижный заряд диффузного слоя и пропорциональный ему электрокинетический потенциал. Отсюда следует, что электрокинетический потенциал может служить мерой интенсивности электрокинетических явлений и в то же время мерой степени размытия диффузионной части двойного электрического слоя. Поэтому он может быть использован при рассмотрении свойств системы, связанных с существованием диффузного слоя, в частности, устойчивости гидрофобных золей.

19 Устойчивость дисперсных систем

По предложению Н. П. Пескова (1920) устойчивость дисперсных систем подразделяют на два вида: устойчивость к осаждению дисперсной фазы (седиментационная устойчивость) и устойчивость к агрегации ее частиц - агрегативная устойчивость . По отношению к агрегации дисперсные (гетерогенные) системы могут быть устойчивы термодинамически и кинетически. Термодинамически устойчивые дисперсные системы образуются в результате самопроизвольного диспергирования одной из фаз. По классификации П. А. Ребиндера, системы термодинамически устойчивые (образующиеся при самопроизвольном диспергировании) называются лиофильными. Термодинамически неустойчивые дисперсные системы получили название лиофобных систем, они обладают различной кинетической устойчивостью к агрегации частиц. Кинетически устойчивые дисперсные системы не могут быть получены с помощью самопроизвольного диспергирования, они устойчивы в течение определенного времени, иногда очень продолжительного.

Б.Д. Сумм предлагает различать 4 вида неустойчивости коллоидных систем:

1) Термодинамическая (агрегативная) неустойчивость проявляется в постепенном увеличении размеров дисперсных частиц или образования агрегатов из слипшихся частиц.

Эволюцию агрегативно неустойчивой дисперсной системы количественно характеризуют зависимостью размера частиц и их распределения по размерам от времени, а также временнóй зависимостью концентрации частиц.

Возможны два разных процесса уменьшения поверхностной энергии дисперсной системы:

Укрупнение дисперсных частиц, приводящее к увеличению их размера (ζ = const ). Этот процесс называют коалесценцией (слиянием). Он характерен для систем с жидкими или газообразными частицами.

Уменьшение удельной поверхностной энергии (ζ = const ). Укрупнение частиц может идти двумя путями. Один из них, называемый изотермической перегонкой, заключается в переносе вещества от мелких частиц к крупным, так как химический потенциал последних меньше (эффект Кельвина). В результате мелкие частицы постепенно растворяются (испаряются), а крупные растут. Второй путь, наиболее характерный и общий для дисперсных систем, представляет собой коагуляцию, заключающуюся в слипании (слиянии) частиц дисперсной фазы. В общем смысле под коагуляцией понимают потерю агрегативной устойчивости дисперсной системы. К процессу коагуляции относят также адгезионное взаимодействие частиц дисперсной фазы с макроповерхностями. Он заключается в образовании агрегатов из многих дисперсных частиц, разделенных тонкими прослойками дисперсионной среды.

Устойчивая свободнодисперсная система, в которой дисперсная фаза равномерно распределена по всему объему, может образоваться в результате конденсации из раствора. Потеря агрегативной устойчивости приводит к коагуляции, первый этап которой состоит в сближении частиц дисперсной фазы и взаимной фиксации на небольших расстояниях друг от друга. Между частицами остаются прослойки среды. В результате образуются или флокулы (флокуляция - образование агрегатов из нескольких частиц, разделенных прослойками среды), или коагуляционные структуры, отличающиеся подвижностью частиц относительно друг друга под действием сравнительно небольших нагрузок (места контактов разделены прослойками среды). Обратный процесс образования устойчивой свободнодисперсной системы из осадка или геля (структурированной дисперсной системы) называется пептизацией. Более глубокий процесс коагуляции приводит к разрушению прослоек среды и непосредственному контакту частиц. В итоге или образуются жесткие агрегаты из твердых частиц, или происходит полное слияние их в системах с жидкой или газообразной дисперсной фазой (коалесценция). В концентрированных системах образуются жесткие объемные конденсационные структуры твердых тел, которые снова можно превратить в свободнодисперсную систему только с помощью диспергирования (принудительного).

2) Седиментационная неустойчивость. Вызывается различием плотностей веществ дисперсной фазы (ρ d ) и дисперсионной среды (ρ o ). Это различие приводит к постепенному оседанию (седиментации) более крупных частиц (если ρ d > ρ o ) или их всплыванию

(если ρ d < ρ o ).

Размер дисперсных частиц влияет на агрегативную и седиментационную устойчивости противоположным образом. Чем выше степень дисперсности (меньше размер частиц), тем сильнее проявляется их агрегативная неустойчивость, однако растет их устойчивость по отношению к седиментации.

3) Фазовая неустойчивость. Имеется в виду изменение структуры частиц при сохранении их размеров. Например, при синтезе коллоидных растворов металлов, оксидов и гидроксидов дисперсные частицы обычно аморфны, а со временем внутри частиц может происходить энергетически выгодный процесс кристаллизации.

4) Поверхностная неустойчивость. Ее причины различны. Например, ПАВ с большой молекулярной массой (белки) медленно диффундируют из объема дисперсионной среды на поверхность частиц и со временем образуют адсорбционный слой. Другой возможный механизм – растворение вещества дисперсных частиц в дисперсионной среде. Оно обусловливает несколько процессов:

Изменение химического состава раствора вблизи поверхности частиц и изменение строения ДЭС;

Изменение микрорельефа твердой поверхности и, как следствие, изменение краевых углов смачивания.

Анализ причин и форм неустойчивости дисперсных систем приводит к следующему принципиальному заключению: неравновесность вызывает эволюцию дисперсных систем .

Таким образом, характеристики дисперсных систем могут существенно изменяться во времени.

Основная проблема теории устойчивости дисперсных систем заключается в определении конкретных причин и механизма объединения отдельных дисперсных частиц в более крупные агрегаты и в выяснении факторов, которые препятствуют их агрегированию.

Теорию устойчивости гидрофобных золей детально разработали Б. Дерягин и Л. Ландау и независимо Э. Фервей и Т. Овербек (теория ДЛФО ). По этой теории на диспресные частицы действуют две силы – сила отталкивания (f e ), обусловленная электростатической и термодинамической составляющей (расклинивающее давление) и сила притяжения (f d |) (Ван-дер-Ваальсовские силы). В зависимости от соотношения этих сил возможны два варианта поведения коллоидного раствора:

1) Если преобладает сила притяжения (|f d | >|f e |), то дисперсные частицы сближаются, между ними возникает контакт, и они объединяются в более крупный агрегат (коллоидный

«димер»). Таким образом, в этом случае элементарный акт процесса коагуляции может состояться.

2) Если преобладает электростатическое отталкивание (|f d | <|f e |), то частицы могут не вступать в непосредственное соприкосновение, и коагуляция золя не происходит.

Таким образом, в качестве основного фактора термодинамической устойчивости дисперсной системы в теории ДЛФО принимают электростатическое (кулоновское) отталкивание дисперсных частиц.

Для расчета условий коагуляции вводятся дополнительные концепции:

1) Частицы имеют призматическую форму и разделены плоскопараллельным зазором шириной h (см. рис. 11).

2) Частицы перемещаются только в направлении, перпендикулярном зазору. Броуновское движение исключается.

Для расчета условий сопоставляются не силы притяжения, а соответствующие им энергии взаимодействия (U d , U e ).

где A 1 * ,2 – сложная константа Гамакера; знак «–» указывает на взаимное притяжение.

Энергия электростатического взаимодействия (U e ) создается вследствие перекрывания диффузных слоев противоионов в тонкой пленке раствора электролита в зазоре между частицами.

U e , которая зависит от толщины пленки, создает в пленке дополнительное давление – расклинивающее давление (Π) . Π – это термодинамический параметр тонкой жидкой пленки в пространстве между частицами:

dW f , (19.2) dh

где W f – это работа, которую нужно затратить для увеличения поверхности тонкой пленки на единицу площади при постоянной температуре.

W f 2 W f , (19.3)

где W f – это дополнительная энергия пленки, которую нужно затратить для сближения поверхностных слоев ABB′A′ и CDD′C′.

Рисунок 11 - Возникновение расклинивающего давления в плоской тонкой пенной пленке с перекрыванием поверхностных слоев (h < 2δ)

По физическому смыслу величину W f можно рассматривать как энергетическое определение поверхностного натяжения тонкой пленки.

Физический смысл величины Π – это избыточное давление в тонкой пленке по сравнению с гидростатическим давлением в большом объеме жидкости.

(h ) p f p o , (19.4)

где p f – давление в тонкой пленке.

Положительное расклинивающее давление препятствует утоньшению пленки! Возникновение Π связано с поверхностными силами разной природы

(электрическими, магнитными, молекулярными). Для коллоидной химии особенно важны первые и последние.

где 1/æ = δ – толщина ионной атмосферы.

Не обязательно запоминать формулы! Главное уяснить, что U e и U d имеют разные знаки и по-разному зависят от толщины разделяющей пленки h :

Рисунок 12 – Изменение энергии (U) тонкой пленки электролита в зависимости от ее толщины (h)

Как видно из рисунка, U e изменяется по экспоненциальному закону (пропорциональна e - æh ), U d – по степенному (пропорциональна 1/h 2 ). Поэтому на малых расстояниях будет преобладать притяжение (при h → 0 U d → ∞). На больших расстояниях также преобладает притяжение, т. к. степенная функция убывает медленнее, чем экспонента. На средних расстояниях возможен локальный (дальний) максимум. Он соответствует энергетическому (потенциальному) барьеру, который препятствует сближению частиц и их коагуляции.

Анализ уравнения и графика позволяет выделить три случая поведения дисперсной системы в зависимости от соотношения высоты энергетического барьера U M , глубины потенциальной ямы U N на больших расстояниях, и на малых расстояниях энергии тепловых колебаний k Б T .

Рисунок 13 – Изменение энергии (U) тонкой пленки электролита в зависимости от расстояния

Кривая 1 на рисунке 13 отвечает такому состоянию дисперсной системы, когда при любом расстоянии между частицами преобладает энергия притяжения над энергией отталкивания. Не меняет этого соотношения и тепловое движение частиц. При таком состоянии дисперсной системы наблюдается быстрая коагуляция с образованием агрегатов; в системах с жидкой и газообразной дисперсными фазами происходит коалесценция. Кривая 2 указывает на наличие достаточно высокого потенциального барьера и вторичного

Коллоидные растворы представляют собой термодинамически неустойчивые системы, в которых проявляется тенденция к снижению поверхностной энергии Гиббса за счет укрупнения частиц и уменьшения суммарной поверхности раздела фаз. Слипание коллоидных частиц приводит к увеличению их массы, в результате чего более крупные частицы под действием силы тяжести оседают на дно (седиментируют).

Известны, однако, многочисленные коллоидные растворы, в которых не происходит слипания частиц в течение длительного времени. Способность дисперсной системы сохранять во времени свое состояние и свойства характеризует устойчивость дисперсной системы.

Различают седиментационную и агрегативную устойчивость.

Седиментационная устойчивость характеризует способность частиц дисперсной фазы находиться во взвешенном состоянии и не оседать под действием сил тяжести.

Агрегативная устойчивость характеризует способность частиц дисперсной фазы противостоять их слипанию между собой.

Седиментационная устойчивость коллоидных систем обусловлена малыми размерами частиц и их броуновским движением.

Агрегативная устойчивость коллоидных растворов с ионным стабилизатором обусловлена наличием на поверхности частиц диффузной ионной атмосферы, которая препятствует их слипанию. Агрегативная устойчивость - результат взаимодействия двух противоположно направленных сил, которые одновременно действуют на сближающиеся коллоидные частицы: Ван-дер-Ваальсовых сил межмолекулярного притяжения и электростатических сил отталкивания, возникающих между одноименно заряженными частицами. При значительной протяженности диффузной части мицеллы преобладают силы отталкивания, возникающие между одноименно заряженными противоионами. При малой толщине диффузного слоя частицы сближаются на расстояния, при которых молекулярное притяжение сильнее, что приводит к их агрегации (слипанию).

Таким образом, агрегативная устойчивость коллоидных систем зависит от условий формирования мицеллы - заряда твердой фазы, толщины и заряда диффузного слоя. Она тем больше, чем выше заряд твердой фазы (межфазный потенциал), чем больше толщина диффузного слоя и чем больше значение ζ -потенциала. Коллоидные растворы с ионным стабилизатором устойчивы, если ζ-потенциал превышает 50 мВ, относительно устойчивы при 30 < ζ < 50 мВ и неустойчивы при ζ < 30 мВ.

Потеря агрегативной устойчивости приводит к слипанию коллоидных частиц с образованием более крупных агрегатов; этот процесс называется коагуляцией . Следствием коагуляции является потеря седиментационной устойчивости: укрупненные частицы оседают под действием возросшей силы тяжести.

Примером коагуляции коллоидной системы служит процесс свертывания крови. Ему способствует наличие в крови катионов кальция, поэтому для длительного хранения крови, предназначенной для консервирования, эти ионы удаляют из крови различными физико-химическими методами.

Коагуляцию можно вызвать различными внешними воздействиями: добавлением небольших количеств электролита, концентрированием коллоидного раствора, изменением температуры, действием ультразвука, электромагнитного поля и др. Наибольшее практическое значение имеет коагуляция под действием электролитов.

Согласно правилу Шульце - Гарди , коагуляцию коллоидных растворов вызывают любые ионы, имеющие знак заряда, противоположный заряду гранул, причем их действие тем сильнее, чем выше заряд иона-коагулянта.

Для количественной оценки коагулирующей способности электролитов введено понятие порога коагуляции , т.е. минимальной концентрации электролита, достижение которой вызывает начало коагуляции , заметное по помутнению раствора или изменению его окраски.

1000С эл V эл

С пор = ¾¾¾¾¾

V кр + V эл

где С пор - порог коагуляции электролита, ммоль/л; С эл - исходная концентрация раствора электролита, моль/л; V эл - добавленный объем раствора электролита, вызвавший начало коагуляции; V кр - исходный объем коллоидного раствора.

Величина, обратная порогу коагуляции, называется коагулирующей способностью КС:

КС = 1/С пор

Коагулирующая способность иона-коагулянта пропорциональна его заряду в шестой степени. Например, коагуляцию золя AgCl, полученного в избытке Cl - -ионов и имеющего отрицательно заряженные гранулы, вызовут положительно заряженные ионы, причем при добавлении к этому золю растворов NaCl, CaCl 2 или AlCl 3 коагулирующее действие катионов Na + , Ca 2+ и Al 3+ будет находиться в приблизительном соотношении 1 6: 2 6:3 6 » 1: 64: 729. Иными словами, для коагуляции потребуется добавить гораздо меньшее количество раствора AlCl 3 , чем раствора CaCl 2 и тем более раствора NaCl. Если золь AgCl был образован в избытке потенциалопределяющих катионов Ag + и имеет свойственный им положительный заряд гранулы, то коагуляцию такого золя вызовут анионы. При этом наиболее эффективным коагулянтом в ряду KCl - K 2 SO 4 - K 3 PO 4 будет анион с наибольшим зарядом, поскольку КС(Cl -) : КС(SO 4 2-) : КС(РО 4 3-) » 1: 64: 729.

Влияние электролита на коагуляцию коллоидных растворов следует учитывать при введении электролитов в живые организмы. Например, физиологический раствор NaCl (0,9%) нельзя заменить изотоническим раствором MgSO 4 , поскольку двухзарядные ионы Mg 2+ и SO 4 2- обладают значительно большим коагулирующим действием, чем однозарядные ионы Na + и Cl - . При инъекциях электролитов в мышечную ткань следует вводить их постепенно, чтобы не вызвать локального превышения порога коагуляции, которое приведет к коагуляции биосубстратов.

О протекании процесса коагуляции можно судить по величине ζ-потенциала (рис.24). Коагуляция становится возможной при снижении толщины диффузного слоя мицеллы, которое сопровождается и уменьшением электрокинетического потенциала. Снижение величины ζ-потенциала до 25-30 мВ свидетельствует о начале коагуляции, хотя внешних признаков (помутнения или изменения окраски) может не наблюдаться из-за низкой скорости этого процесса (так называемая "скрытая" коагуляция ). Дальнейшее снижение ζ-потенциала сопровождается увеличением скорости коагуляции и помутнением раствора ("явная" коагуляция ), и при ζ = 0 скорость коагуляции максимальна. Состояние коллоидных частиц, при котором электрокинетический потенциал равен 0, называется изоэлектрическим состоянием . В этом состоянии заряд гранул равен 0, поэтому в электрическом поле они не приобретают направленного движения.

Коагуляция

скрытая явная

v медленная быстрая

ζ >30 мВ ζ < 30 мВ ζ = 0

Рис.24. Зависимость скорость коагуляции от концентрации электролита-коагулянта

Коагуляцию можно также вызвать, действуя смесями электролитов . При этом существует три возможных варианта взаимодействия между электролитами-коагулянтами:

1) аддитивное действие - суммирование коагулирующего действия ионов; так, смесь солей KCl и NaNO 3 , не взаимодействующих друг с другом, проявляет аддитивное действие по отношению к коллоидам с гранулами, заряженными как положительно, так и отрицательно (в первом случае коагуляцию вызывают анионы, во втором - катионы солей);

2) антагонизм - ослабление коагулирующего действия одного электролита в присутствии другого; например, добавка Na 2 SO 4 ослабляет коагулирующее действие катионов Ва 2+ из-за того, что растворе протекает реакция Ва 2+ + SO 4 2-­­ ® BaSO 4 , приводящая к снижению концентрации этих катионов;

3) синергизм - усиление коагулирующего действия одного электролита в присутствии другого; например, коагулирующее действие FeCl 3 и KSCN в отношении коллоидов с положительно заряженными гранулами (коагулянты - однозарядные анионы) резко возрастает при их совместном присутствии, поскольку в результате реакции Fe 3+ + 6SCN - ® 3- образуется трехзарядный комплексный анион, проявляющий очень высокую коагулирующую способность.

При смешении двух коллоидных растворов, содержащих частицы с противоположными зарядами гранул происходит взаимная коагуляция - слипание разноименно заряженных гранул в крупные агрегаты. При этом коагуляция происходит тем полнее, чем полнее нейтрализуются заряды гранул.

Свежеполученный при коагуляции осадок можно вернуть в коллоидное состояние. Процесс, обратный коагуляции - превращение осадка в устойчивый коллоидный раствор, называется пептизацией . Пептизации способствует промывание осадка чистым растворителем, вымывающим из системы ионы-коагулянты, и добавление электролита-пептизатора, содержащего ионы, способные, адсорбируясь на поверхности частиц осадка, восстановить ионные атмосферы вокруг них и перевести их в коллоидное состояние. Пептизация усиливается при перемешивании и нагревании.

Процесс пептизации лежит в основе лечения многих заболеваний: рассасывания атеросклеротических бляшек на стенках кровеносных сосудов, почечных и печеночных камней. Однако застарелые тромбы и уплотнившиеся камни практически не пептизируются.

Устойчивость коллоидных растворов можно повысить добавлением к ним некоторых высокомолекулярных соединений (ВМС). Это явление получило название коллоидной защиты. Защитное действие ВМС объясняется тем, что они адсорбируются на поверхности коллоидных частиц. При этом гидрофобные участки их структур (углеводородные радикалы) обращены к частицам дисперсной фазы, а гидрофильные фрагменты (полярные группы) обращены наружу, к воде. Вокруг мицеллы образуется дополнительная оболочка из макромолекул ВМС и их собственных гидратных оболочек, которая препятствует сближению коллоидных частиц.

По отношению к водным коллоидным растворам защитным действием обладают растворимые в воде белки, полисахариды, пектины. Белки препятствуют выпадению в осадок малорастворимых холестерина и солей кальция на стенках кровеносных сосудов, образованию камней в мочевыводящих и желчепроводящих путях. В фармации защитные свойства ВМС используются для повышения устойчивости лекарственных препаратов, находящихся в коллоидном состоянии.

Для обеспечения коллоидной защиты необходимо создать достаточно высокую концентрацию ВМС, обеспечивающую образование мономолекулярной защитной оболочки вокруг мицеллы. Введение небольшого количества ВМС может привести к обратному эффекту: макромолекулы взаимодействуют одновременно с несколькими коллоидными частицами, связывая их с образованием рыхлых хлопьев. Агрегирование частиц дисперсной фазы в лиофобных коллоидных растворах под действием небольших количеств ВМС называется флокуляцией .

На явлении флокуляции основан метод очистки природных и питьевых вод. В качестве флокулянта используется хорошо растворимый в воде синтетический полимер - полиакриламид.