Факторы стабилизации коллоидной системы (сольватный, электростатический, структурно-механический, энтропийный)

В практической деятельности может возникнуть необходимость как разрушения, так и сохранения в устойчивом состоянии дисперсных систем. Для решения этих задач необходимо знать факторы устойчивости, препятствующие агрегации частиц и их выпадению в осадок.

Известно, что лиофобные дисперсные системы имеют большую поверхность раздела фаз, а следовательно и большой запас поверхностной энергии, что и является причиной их термодинамической неустойчивости (лиофильные системы отличаются высокой термодинамической устойчивостью). Поэтому стабилизация дисперсных систем происходит в том случае, если удается снизить поверхностное натяжение на границе раздела фаз. Факторы, способствующие снижению свободной поверхностной энергии, называются термодинамическими.

Наряду с термодинамическим известны и другие факторы, способствующие стабилизации дисперсных систем. Кратко рассмотрим эти факторы (включая обобщение вышерассмотренного материала).

1. Электростатический фактор заключается в уменьшении межфазного натяжения вследствие возникновения двойного электрического слоя (ДЭС) на поверхности частиц (уменьшается свободная поверхностная энергия). Этот фактор подробно рассматривается в теории ДЛФО. Возникновение ДЭС на частицах приводит к тому, что частицы приобретают одноименный заряд, что способствует их отталкиванию и препятствует слипанию в более крупные агрегаты. Таким образом, сохраняется устойчивость дисперсной системы.

2. Адсорбционно-сольватный фактор состоит в уменьшении межфазного натяжения при взаимодействии частиц дисперсной фазы со средой, включающем в себя процессы адсорбции и сольватации. На поверхности частиц дисперсной фазы могут адсорбироваться молекулы растворителя или других растворенных веществ. Частицы приобретают сольватную оболочку (или адсорбционно-сольватную), которая препятствует слипанию частиц. Механизм действия сил отталкивания в этом случае можно представить как совершение работы для разрушения сольватных слоев и для частичной десорбции молекул при сближении частиц. Такие системы могут быть устойчивы даже при отсутствии электрического потенциала на поверхности частиц (при отсутствии ДЭС). Такие системы мало чувствительны к электролитам (только через механизм высаливания). Примером устойчивых систем такого типа служат растворы неионогенных ПАВ, ВМС, твердых веществ, обладающих высокой гидрофильностью, (например, оксидыалюминия, кремния, железа).

3. Энтропийный фактор, как и первые два, относятся к термодинамическим. Он действует в системах, в которых частицы или их поверхностные силы участвуют в тепловом движении. Сущность его состоит в стремлении дисперсной фазы к равномерному распределению по объему системы, а это уменьшает вероятность столкновения частиц и их слипания.

Энтропийное отталкивание можно объяснить, исходя из непосредственного взаимодействия частиц с поверхностными слоями, в которых есть подвижные противоионы или длинные и гибкие радикалы поверхностно-активных веществ (ПАВ) и высокомолекулярных соединений (ВМС). Такие радикалы обладают множеством конформаций. Сближение частиц приводит к уменьшению степеней свободы или конформаций, а это приводит к уменьшению энтропии, и, следовательно, к увеличению свободной поверхностной энергии, что является термодинамически невыгодным процессом. Таким образом, этот фактор способствует отталкиванию частиц.

4. Структурно-механический фактор является кинетическим. Его действие обусловлено тем, что на поверхности частиц имеются пленки, обладающие упругостью, разрушение которых требует затраты энергии и времени. Обычно такую пленку получают, вводя в систему стабилизаторы – ПАВ и ВМС (коллоидная защита). Высокие прочностные характеристики поверхностные слои приобретают благодаря переплетению цепей ВМС и длинноцепочечных ПАВ, а иногда и в результате полимеризации.

Действие структурно-механического и других факторов проявляется в таком явлении как коллоидная защита

Коллоидной защитой называется повышение устойчивости коллоидных систем за счет образования на поверхности частиц адсорбционного слоя при введении в золь определенных высокомолекулярных веществ.

Веществами, способными обеспечивать коллоидную защиту, являются белки, углеводы, пектины, а для систем с неводной дисперсионной средой – каучук. Защищающие вещества адсорбируются на поверхности дисперсных частиц, что способствует уменьшению поверхностной энергии системы. Это приводит к повышению ее термодинамической устойчивости и обеспечивает коллоидную устойчивость. Такие системы настолько устойчивы, что приобретают способность к самопроизвольному образованию. Например, растворимый кофе представляет собой тонко помолотый кофейный порошок, обработанный пищевыми поверхностно-активными веществами.

Для оценки стабилизирующего действия различных веществ введены условные характеристики: «золотое число», «рубиновое число» и т. д.

Золотое число – это минимальная масса (в мг) стабилизирующего вещества, которая способна защитить 10 мл красного гидрозоля золота (воспрепятствовать изменению цвета) от коагулирующего действия 1 см3 10%-ного раствора хлорида натрия.

Рубиновое число – это минимальная масса (в мг) стабилизирующего вещества, которая способна защитить 10 см3 раствора красителя конго красного (конго-рубина) с массовой концентрацией 0,1 кг/м3 от коагулирующего действия 1 см3 10%-ного раствора хлорида натрия.

Дата добавления: 2015-07-15