Реферат: Дисперсные системы

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ


В окружающей нас природе, как и в живом организме, редко встречаются индивидуальные вещества. Чаще многообразие веществ, составляющих живую и неживую природу, представлено в виде растворов или в виде дисперсных систем. Коллоидные (дисперсные) системы широко распространены в природе и с древних времён играют громадную роль в человеческой жизни. Однако первые систематические исследования таких систем относятся лишь к середине XIX века. За последние 150 лет наука о коллоидах сформировалась как самостоятельный раздел физической химии.

Дисперсной системой называется гетерогенная система, в которой одна из фаз представлена мелкими частицами, равномерно распределёнными в объёме другой однородной фазы. Это ультрамикрогетерогенные системы, состоящие из частиц дисперсной фазы – совокупности раздробленных частиц, размер которых лежит в пределах 10-9 – 10-5 м, и непрерывной дисперсионной среды, в которой распределены эти частицы.

Для характеристики раздробленности дисперсной фазы отечественный физико-химик А.В. Думанский (1880 – 1967) ввёл в 1913 г. понятие степень дисперсности δ, которая измеряется величиной, обратной среднему диаметру, или для несферических частиц величиной обратной среднему эквивалентному диаметру d (м-1):

1

Частицы дисперсных систем можно видеть невооруженным глазом или при помощи приборов. Сахаринки, частицы муки и человеческий волос воспринимает глаз. Витающие в воздухе частицы пыли становятся видимыми лишь тогда, когда в затемнённую комнату проникает луч света. Эритроциты крови видны через микроскоп, самые маленькие частицы можно обнаружить при помощи электронного микроскопа. В соответствии с условием (1) наибольшая дисперсность у эритроцитов, а наименьшая – у сахаринок и частиц муки.

Помимо частиц, в качестве дисперсной фазы могут быть нити, волокна, поры и капилляры, а также плёнки и мембраны. Все они имеют один или несколько размеров, определяющих дисперсность. Различают трёх-, двух- и одномерную дисперсные фазы.

Если размер, определяющий дисперсность, у всех частиц один и тот же, то подобную систему называют монодисперсной, например, пыльца некоторых растений. Значительно чаще встречаются полидисперсные системы, характеризующиеся различными размерами частиц, или дисперсностью.

Характерным признаком высокодисперсных систем является очень большая поверхность раздела на границе между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Её характеризуют удельной поверхностью, под которой понимают отношение общей площади поверхности дисперсной фазы Sд.ф. к её общему объёму или к её массе:

, м-1 или , м2/г 2

С повышением дисперсности системы её удельная поверхность резко увеличивается и в коллоидной области достигает огромных значений.

Раздробленность и большая удельная поверхность раздела фаз обуславливают значительный избыток поверхностной энергии. Это в свою очередь приводит к возникновению поверхностных явлений. Поверхностные явления наблюдаются на любой поверхности, разграничивающей фазы, но резкое увеличение удельной поверхности приводит к их интенсификации вследствие избытка поверхностной энергии.

Раздробленность предполагает образование частиц различной формы, поверхность которых характеризуется определённой кривизной. Кривизна поверхности в некоторых случаях является дополнительным фактором интенсификации процессов, которые происходят на границе раздела фаз.

Таким образом, коллоидное состояние вещества имеет два основных признака – дисперсность и гетерогенность. Особенностью высокодисперсных систем является их неустойчивость, связанная с большим запасом свободной поверхностной энергии вследствие большой поверхности раздела фаз. Для дисперсных систем характерны самопроизвольные процессы, снижающие избыточную поверхностную энергию за счёт укрупнения частиц дисперсной фазы. Обеспечение относительной устойчивости системы достигается созданием на поверхности частиц дисперсной фазы защитных слоёв – двойного электрического слоя, обеспечивающего электростатическое отталкивание частиц, и адсорбционно-сольватного слоя, препятствующего соприкосновению и слипанию частиц. Стабилизирующие слои возникают в результате адсорбции ионов или молекул.


^ Классификация дисперсных систем.


Дисперсные системы в природе отличаются огромным разнообразием, поэтому невозможно составить для них единую классификацию. В основе существующих классификаций лежат различные свойства дисперсных систем: размер частиц дисперсной фазы, агрегатное состояние дисперсной фазы и дисперсионной среды, характер взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой, структурно-механические и др. свойства.


^ Классификация систем по размеру частиц дисперсной фазы.

В зависимости от размеров частиц d различают высоко-, средне – и грубодисперсные системы.

Таблица 1.

Класс/
^ Название системы
Размеры частиц, м

Дисперсность, м-1
Представители
Высокодисперсные/ ультрамикрогетеро-генные

10-9 – 10-7

109 – 107

Рубиновое стекло,

золь кремневой кислоты

Среднедисперсные/

микрогетерогенные (коллоидные растворы)

10-7 – 10-5

107 – 105

Растворимый кофе, сахарная пудра, сажа

Грубодисперсные

> 10-5

< 105

Крупа, капли дождя, сахар-песок


Нижний предел размеров высокодисперсных систем (1нм) обусловлен тем, что для образования агрегата необходимо, по крайней мере 20-30 молекул. Радиус одной молекулы, например воды, составляет 0.138 нм. Поэтому самая маленькая частичка, из которой формируется дисперсная фаза, не может быть меньше 1 нм.


^ Классификация по агрегатному состоянию фаз.

Классификация по агрегатному состоянию была предложена Вольфгангом Оствальдом. В принципе возможно 9 комбинаций, но дисперсной системы, у которой и дисперсная фаза и дисперсионная среда являются газами, не существует, так как газы неограничено растворимы друг в друге. Все возможные виды дисперсных систем представлены в таблице 2.


Таблица 2.

^ Агрегатное состояние дисперсной фазы

Агрегатное состояние дисперсионной среды

Условное обозначение, ф/с
^ Название системы
Примеры

ж

г

ж/г

аэрозоли

Туман, слоистые облака

тв

г

тв/г

Дымы, пыли, перистые облака

г

ж

г/ж

газовые эмульсии, пены

Газированная вода, мыльная пена, лечебный кислородный коктейль, пивная пена

ж

ж

ж/ж
эмульсии
Молоко, масло сливочное, маргарин, кремы и т.д.

тв

ж

тв/ж

лиозоли, суспензии

Естественные водоёмы, краски, красители для ткани

г

тв

г/тв
^ твёрдые пены
Пемза, твёрдые пены, пенопласт, активированный уголь, пенобетон, хлеб, пористые тела в газе

ж

тв

ж/тв

твёрдые эмульсии

Вода в парафине, природные минералы с жидкими включениями, древесина

тв

тв

тв/тв

твёрдые золи

Сталь, чугун, цветные стёкла, драгоценные камни




^ Классификация по взаимодействию дисперсной фазы и дисперсионной среды (по межфазному взаимодействию).


Эта классификация применима только для систем с жидкой дисперсионной средой. Г.Фрейндлих предложил разделить дисперсные системы на два вида:

Таблица 3.

^ Лиофобные системы

Лиофильные системы

Коллоидные растворы со стабилизатором (золи), суспензии, эмульсии, пены, аэрозоли

Коллоидные растворы ПАВ и ВМС

Слабое взаимодействие между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

Сильное взаимодействие между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

Образуются не самопроизвольно (за счёт затраты энергии извне).

Образуются самопроизвольно.

Эндотермический процесс

Экзотермический процесс

Термодинамически неустойчивы

Термодинамически устойчивы

Необходим стабилизатор

Стабилизатор не требуется


Как в лиофобных, так и в лиофильных коллоидных растворах структурными единицами являются мицеллы – микроструктуры, образующиеся при взаимодействии компонентов дисперсной фазы и дисперсионной среды. Различный характер этого взаимодействия обуславливает различное строение мицелл в лиофобных и лиофильных коллоидных растворах, а также условия их существования и стабильность.



^ Классификация по межчастичному взаимодействию.

Согласно этой классификации дисперсные системы подразделяются на :

- свободнодисперсные (бесструктурные);

- связнодисперсные (структурированные).

В свободнодисперсных системах частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом и способны независимо передвигаться в дисперсионной среде.

В связнодисперсных системах частицы дисперсной фазы связаны друг с другом за счёт межмолекулярных сил, образуя в дисперсионной среде своеобразные пространственные сетки или каркасы (структуры). Частицы, образующие структуру, не способны к взаимному перемещению и могут совершать только колебательные движения.

^ Способы получения коллоидных систем.
Коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными и молекулярными системами, поэтому получать их можно либо дроблением более крупных частиц (диспергированием), либо объёдинением молекул или ионов в агрегаты коллоидных размеров (конденсацией) с применением физических и химических методов.

Физическое диспергирование: механическое измельчение с использованием коллоидных мельниц; электрическое распыление веществ; диспергирование ультразвуком и другие методы. Чтобы не дать образовавшимся частицам слипаться, диспергирование производят в присутствии стабилизатора – электролита или вещества, адсорбирующегося на границе раздела фаз (поверхностно-активные вещества).

Химическое диспергирование (пептизация): перевод в коллоидное состояние свежеприготовленного осадка с помощью пептизатора.

Методы конденсации связаны с выделением новой фазы из гомогенной системы.

Физическая конденсация: 1) метод замены растворителя, который заключается в том, что в истинный раствор вещества добавляется смешивающаяся с растворителем жидкость, в которой само вещество мало растворимо; вследствие понижения растворимости вещества в новом растворителе раствор становится пересыщенным и часть вещества конденсируется, образуя частицы дисперсной фазы; 2) метод конденсации из паров; исходное вещество находится в паре; при понижении температуры пар становится пересыщенным и частично конденсируется, образуя дисперсную фазу.

Химическая конденсация: любая химическая реакция, в результате которой образуется плохо растворимое соединение; чтобы при этом получит коллоидный раствор, реакцию необходимо вести в разбавленном растворе при небольшой скорости роста частиц, одно из исходных веществ берётся в избытке и является стабилизатором.

^ Оптические свойства дисперсных систем.

При падении света на дисперсную систему могут наблюдаться следующие явления:

прохождение света частицами дисперсной фазы;

преломление света частицами дисперсной фазы (если эти частицы прозрачны);

отражение света частицами дисперсной фазы (если частицы непрозрачны);

рассеяние света;

адсорбция (поглощение) света дисперсной фазой с превращением световой энергии в тепловую.

Характер наблюдаемых явлений зависит от размеров частиц дисперсной фазы и их соотношения с длиной волны (λ) падающего света. Прохождение света наблюдается для прозрачных систем, в которых частицы много меньше длины волны падающего света (r<<λ). Преломление и отражение света наблюдается для систем, в которых частицы много больше длины волны падающего света (r>>λ). Визуально это явление выражается в мутности этих систем.

Рассеяние света наблюдается для систем, в которых частицы дисперсной фазы меньше, но соизмеримы с длиной волны падающего света (r ≈ 0.1 λ). Именно такое соотношение выполняется для коллоидных растворов. В проходящем свете коллоидные системы прозрачны, а при боковом освещении рассеивают падающий на них свет, поэтому пучок людей в коллоидной системе виден как яркий светящийся конус (конус Тиндаля – по имени ученого, впервые подробно исследовавшего это явление). Теорию светорассеяния создал английский физик Рэлей. Он вывел уравнение, связывающее интенсивность рассеянного света I с интенсивностью падающего света I0, длиной волны падающего света λ и размерами частиц дисперсной фазы r:

или 3


где V – объём одной частицы, ν – частичная концентрация (число частиц в единице объёма), λ – длина волны, n1, n0 – показатели преломления частиц и среды, соответственно.

Уравнение Релея выполняется при следующих условиях:

частицы малы (r≤λ) и имеют сферическую форму;

частицы не проводят электрический ток (т.е. являются неметаллическими);

частицы не поглощают свет, т.е. являются бесцветными;

коллоидный раствор является разбавленным в такой степени, что расстояние между частицами больше длины волны падающего света.

Белый свет (дневной, солнечный свет) полихроматичен, длина волны меняется от 4·10-7м (фиолетовый свет) до 7·10-7м (красный свет). Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Это означает, что при прохождении через коллоидный раствор пучка белого света преимущественно рассеиваются короткие волны – синей и фиолетовой части спектра. Поэтому бесцветный золь в рассеянном свете имеет голубоватую окраску, а в проходящем свете - красноватую. Это явление различной окраски коллоидного раствора в проходящем и рассеянном (отраженном) свете называется опалесценцией. При увеличении размера частиц зависимость интенсивности рассеянного света от длины волны уменьшается.

В случае окрашенных растворов происходит наложение собственной окраски и окраски, вызванной опалесценцией (явление дихроизма света).

Все металлические золи уравнению Рэлея не починяются, так как их частицы сильно поглощают свет. Оптические свойства коллоидных систем используют при изучении размеров, формы, структуры и концентрации коллоидных частиц


^ Молекулярно-кинетические свойства

коллоидных систем.

По своим молекулярно-кинетическим свойствам, обусловленным непрерывным хаотическим движением частиц, молекул и атомов, коллоидные системы принципиально не отличаются от истинных растворов, но обладают некоторыми особенностями, которые связаны с большим размером коллоидных частиц.

Для коллоидных систем характерно броуновское движение – непрерывное беспорядочное движение частиц микроскопических и коллоидных размеров. Это движение тем интенсивнее, чем выше температура и чем меньше масса частицы и вязкость дисперсионной среды. Броуновское движение обусловлено столкновениями молекул среды, находящихся в непрерывном тепловом движении, с взвешенными в ней частицами. В результате этих столкновений частица получает огромное число ударов со всех сторон, причем количество ударов с разных сторон неодинаково и постоянно меняется и частица приобретает поступательное, вращательное и колебательное движение.

Результатом броуновского движения коллоидных частиц является диффузия – самопроизвольно протекающий процесс выравнивания концентрации частиц. Для количественного описания диффузии используется закон Фика:

4

где m – количество продиффундировавшего вещества; - градиент концентрации; S – площадь, через которую происходит диффузия; τ – продолжительность диффузии; D – коэффициент диффузии равный количеству вещества, диффундирующего через единицу площади в единицу времени при градиенте концентрации, равном единице.

А. Эйнштейн вывел уравнение, связывающее коэффициент диффузии D с абсолютной температурой Т, вязкостью дисперсионной среды η и радиусом частиц дисперсной фазы r:

5

Скорость диффузии прямопропорциональна абсолютной температуре и обратнопропорциональна радиусу частиц и вязкости среды. Вследствие большого размера коллоидных частиц, диффузия в коллоидных системах замедлена по сравнению с истинными растворами.

Для коллоидных систем характерно и осмотическое давление. Для разбавленных коллоидных растворов оно может быть найдено по уравнению:

6

где mобщ – масса растворённого вещества; m – масса одной частицы; V – объём системы; NA – число Авогадро; Т – абсолютная температура; ν – частичная концентрация; k – постоянная Больцмана.

Для сферических частиц

, 7

где νm – масса дисперсной фазы в единице объёма раствора; ρ – плотность дисперсионной среды; r – радиус частиц.

Осмотическое давление в коллоидных растворах мало по абсолютной величине и непостоянно, что связано с невозможностью получить устойчивые коллоидные системы с большой концентрацией частиц, а его непостоянство – изменением размеров коллоидных частиц во времени.


^ Лиофобные коллоидные растворы.

Строение мицеллы.

Лиофобные коллоидные растворы обязательно требуют присутствия специального стабилизатора (электролита). Обеспечение относительной устойчивости системы достигается созданием на поверхности частиц дисперсной фазы защитных слоёв – двойного электрического слоя (ДЭС), обеспечивающего электростатическое отталкивание частиц, и адсорбционно-сольватного слоя, препятствующего соприкосновению и слипанию частиц.

Мицеллой лиофобной системы называется гетерогенная микросистема, которая состоит из микрокристалла дисперсной фазы, окруженного сольватированными ионами стабилизатора.

Возможны два принципиальных разных пути образования ДЭС – диссоциация молекул поверхностного слоя твёрдой фазы и перехода ионов одного знака в раствор и избирательная адсорбция поверхностью твёрдой частицы ионов из дисперсионной среды.

В зависимости от природы коллоидной частицы и электролита и от условий опыта может происходить адсорбция различных ионов. В соответствии с правилом Панета-Фаянса на поверхности твёрдой частицы избирательно адсорбируются только те ионы, которые способны достроить её кристаллическую решётку и изоморфны с ней. Предположим, что твёрдые частицы хлорида серебра диспергированы в водном растворе хлорида калия.



ДЭС

В данном случае, на поверхности будут сорбироваться ионы Cl-, так как они входят в состав кристаллической решётки.

Избирательная адсорбция без достройки кристаллической решётки имеет место, когда в растворе имеются ионы, обладающие большой адсорбционной способностью – ионы Н+ или ОН-. Примером может служить возникновение ДЭС на границе: частицы твёрдого парафина – водный раствор щёлочи.

Адсорбированные ионы придают заряд поверхности частички твёрдой фазы (агрегата) и поэтому называются потенциалопределяющими. Агрегат вместе с потенциалопределяющими ионами составляет ядро мицеллы.

Вблизи заряженной поверхности ядра вследствие электростатического притяжения группируются противоположно заряженные ионы стабилизатора, называемые противоионами. Противоионы компенсируют заряд поверхности твёрдой фазы и находятся в жидкой фазе мицеллы, т.е. в мицелле, как и в любой гетерогенной системе, содержащей подвижные ионы, на границе раздела фаз имеется двойной электрический слой.

Для полной компенсации n – заряда на поверхности необходимо такое же количество противоионов. Расположение противоионов в дисперсионной среде определяется двумя противоположными факторами: тепловое движение (диффузия) стремится распределить ионы равномерно по всему объёму жидкой фазы, а силы электростатического притяжения, наоборот, стремятся уд6ержать их вблизи поверхности раздела фаз. В результате действия этих двух факторов устанавливается диффузионное распределение противоионов с уменьшающейся концентрацией по мере удаления от межфазной поверхности. Часть из них (n – х), благодаря адсорбционным и электростатическим силам плотно прилегает к поверхности ядра мицеллы, частично компенсируя его заряд. Эти противоионы входят в состав плотного адсорбционного слоя, называются «связанными» и вместе с ядром составляют коллоидную частицу или гранулу. Коллоидная частица (гранула) имеет заряд, знак которого обусловлен знаком заряда потенциалопределяющих ионов.


Мицелла

Коллоидная частица


Диффузный слой

Адсорбционный слой





Остальные х противоионов, необходимые для компенсации заряда коллоидной частицы, благодаря диффузии располагаются вокруг гранулы более рыхло, диффузно. Эти противоионы вместе со своими сольватными оболочками образуют диффузный слой и называются «подвижными» или «свободными» противоионами.

Коллоидная частица с окружающим её диффузным слоем сольватированных противоионов составляют мицеллу. В отличие от коллоидной частицы мицелла электронейтральна и не имеет строго определённых размеров.

Рассмотрим в качестве примера структуру мицеллы золя йодистого серебра, полученного обменной реакцией между йодистым калием и азотнокислым серебром при избытке йодистого калия, который будет выполнять роль стабилизатора, посылая в раствор катионы Ag+ (потенциалопределяющие ионы) и анионы (противоионы). В этом случае строение образующихся мицелл отражает следующая реакция и схема:

KJ + AgNO3(изб) = AgI↓ + KNO3


mKI + (m+n)AgNO3 → mAgI·nAg+ + nNO3¯ + mKNO3







агрегат адсорбционный слой диффузный слой



коллоидная частица

мицелла

Если проводить реакцию между йодистым калием и азотнокислым серебром при избытке йодида калия, то образующая коллоидная частица будет иметь отрицательный заряд и строение мицеллы отражает следующая схема:



В мицелле с ионным стабилизатором, как во всякой гетерогенной системе, в которой на границе раздела фаз имеется ДЭС, возникает разность потенциалов между дисперсной фазой и дисперсионной средой – термодинамический потенциал φ (межфазный ), который определяется свойствами данной дисперсной системы, а также зарядом и концентрацией потенциалопределяющих ионов, адсорбированных на твёрдой фазе. По мере удаления от межфазной границы его значение уменьшается и стремится к нулю на границе мицеллы. При наложении внешнего электрического поля происходит отрыв противоионов диффузного слоя мицеллы и передвижение их к соответствующему электроду; вследствие потери части противоионов оставшаяся коллоидная частица движется к противоположно заряженному электроду.

φ +

+ А

+ _

+

+ _ _ _

+ _

+ _ _

ζ + _ _ _

+ _ _

+ _ _ _

+ _ В _ _

+

δ r

δ – толщина адсорбционного слоя;

АВ – поверхность скольжения.


Фактически происходит постоянный обмен противоионов частицы с раствором. Перемещение заряженных коллоидных частиц в неподвижной жидкости к одному из электродов под действием внешнего электрического поля называется электрофорезом.

Как известно из гидродинамики, движение твердой и жидкой фаз относительно друг друга происходит не на границе раздела фаз, а на некотором расстоянии от границы, т.е. часть жидкости, находящаяся на поверхности твёрдого тела, увлекается частицами и перемещается вместе с ними. Поверхность, по которой происходит перемещение, называется поверхностью скольжения. Величина скачка потенциала на границе фаз, находящихся в движении относительно друг друга при электрофорезе и в броуновском движении т.е. на поверхности скольжения, называется электрокинетическим или ζ –потенциалом (дзета – потенциал).

ζ – потенциал обычно меньше φ – потенциала, так как является его частью. Значение электрокинетического потенциала определяется толщиной диффузного слоя: чем она меньше, тем меньше ζ – потенциал. Толщина диффузного слоя, в свою очередь, зависит от концентрации в системе противоионов и их заряда. Чем выше заряд противоионов и больше их концентрация, тем больше противоионов находится в адсорбционном слое и меньше остаётся в диффузном. Это приводит к уменьшению ζ – потенциала. В большинстве случаев он является мерой устойчивости коллоидной системы: стабильные коллоидные системы имеют значение электрокинетического потенциала ±(50 – 70) мВ, при снижении ζ – потенциала до ± 30 мВ (критический дзета – потенциал) наступает коагуляция, т.е. слипание частиц и разрушение коллоидной системы.

Термодинамический и электрокинетический потенциалы зависят от температуры. С одной стороны, с повышением температуры усиливается диффузия противоионов и толщина диффузного слоя возрастает, что приводит к увеличению ζ – потенциала; с другой стороны – усиливается десорбция потенциалопределяющих ионов. Этот процесс приводит к уменьшению термодинамического φ – потенциала и, следовательно, его составляющей части - электрокинетического потенциала.


^ Устойчивость и коагуляция

коллоидных растворов.

Образование лиофобных дисперсных систем сопровождается увеличением свободной поверхностной энергии, поэтому дисперсные системы термодинамически неустойчивы. В тоже время при определённых условиях они могут сохраняться в течение длительного времени.

Устойчивость дисперсных систем характеризует способность дисперсной фазы сохранять состояние равномерного распределения частиц во всём объёме дисперсионной среды.

Существует два вида относительной устойчивости дисперсных систем: седиментационная и агрегативная.

^ Седиментационная устойчивость – способность системы противостоять действию силы тяжести. Седиментация – это оседание частиц в растворе под действием силы тяжести.

Если частица движется с постоянной скорость, т.е. равномерно, то сила трения уравновешивает силу тяжести и выполняется условие седиментационного равновесия:


6πηrU = 4/3πr3(ρ – ρ0)g 8

где ρ – плотность дисперсной фазы, ρ0 - плотность дисперсионной среды,

g – ускорение силы тяжести.

Из уравнения получаем

(9) или 9*

Эта зависимость используется для определения размера частиц суспензий методом седиментации.

Если радиус частиц очень мал, как в случае молекулярных растворов, то наблюдается равномерное распределение частиц по высоте (С = С0).

В коллоидных системах, где размер частиц больше, чем молекул, возникает градиент концентраций по высоте. Однако это равновесие устанавливается трудно, а нарушается очень легко различными внешними воздействиями.

Агрегативная устойчивость характеризует способность частиц дисперсной фазы противодействовать их слипанию между собой и тем самым сохранять свои размеры.

Агрегативная устойчивость коллоидных растворов с ионным стабилизатором обусловлена рядом факторов:

электростатический фактор, заключающийся в уменьшении поверхностной энергии вследствие возникновения на поверхности частиц двойного электрического слоя;

адсорбционно-сольватный фактор, связанный с уменьшением поверхностной энергии за счёт адсорбции и образования сольватных (гидратных) слоёв вокруг частиц.

При нарушении агрегативной устойчивости происходит коагуляция – процесс слипания частиц с образованием крупных агрегатов. В результате коагуляции система теряет свою седиментационную устойчивость, так как частицы становятся слишком крупными и не могут участвовать в броуновском движении.

Коагуляция является самопроизвольным процессом, так как она приводит к уменьшению межфазной поверхности и, следовательно, к уменьшению свободной поверхностной энергии.

Различают две стадии коагуляции.

1 стадия – скрытая коагуляция. На этой стадии частицы укрупняются, но еще не теряют своей седиментационной устойчивости.

2 стадия – явная коагуляция. На этой стадии частицы теряют свою седиментационную устойчивость. Если плотность частиц больше плотности дисперсионной среды, образуется осадок.

Причины коагуляции многообразны. Любое внешнее воздействие при достаточной его интенсивности вызывает коагуляцию. К таким воздействиям можно отнести:

изменение температуры;

действие электрического и электромагнитного полей;

действия видимого света;

облучение элементарными частицами;

механическое воздействие;

добавление электролита и др.

Наибольший практический интерес вызывает коагуляция электролитами.


Виды коагуляции электролитами.


Установлено, что любой электролит вызывает коагуляцию золя. При коагуляции золя электролитами различают концентрационную и нейтрализационную коагуляцию.

Концентрационная коагуляция наступает под действием индифферентных электролитов. Индифферентным называется электролит, при введении которого межфазный потенциал φ не изменяется. Данный электролит не содержит таких ионов, которые были бы способны к специфической адсорбции на частицах по правилу Панета-Фаянса т.е. не способны достраивать кристаллическую решётку агрегата. Концентрационная коагуляция наблюдается, например, при добавлении нитратов к коллоидному раствору AgI с положительным зарядом коллоидных частиц:

+ →



+ zNO3-


По мере увеличения концентрации добавляемого электролита (ионов ) концентрации противоионов в диффузном слое увеличивается, что приводит к нарушению установившегося ранее диффузионного распределения противоионов и усилению сил электростатического притяжения между потенциалопределяющими и противоионами, в следствие чего часть ионов из диффузного слоя переходит в адсорбционный. При этом диффузный слой сжимается, уменьшается заряд коллоидной частицы и, как следствие, снижается ζ – потенциал.




φ

A





ζ0


ζ1


ζ2 B

r

Рис. Изменение ζ – потенциала при добавлении индифферентного электролита. Граница ДЭС 1–1 соответствует исходному коллоидному раствору; границы 2 – 2, 3 – 3 получены после добавления соответствующих количеств электролита (поверхность скольжения совпадает с границей адсорбционного и диффузного слоёв).