Силы отталкивания

Долговечность лиофобных систем говорит о существовании сил отталкивания между частицами. Силы отталкивания, действующие между частицами, приводят к повышению устойчивости коллоидных систем, являются факторами устойчивости. Они имеют различную природу и соответствуют различным компонентам расклинивающего давления. Если стабилизатором является электролит, и имеется двойной электрический слой, то действует электростатический фактор устойчивости. Отталкивание между частицами нельзя рассматривать как отталкивание между одноименно заряженными точечными зарядами, и силы отталкивания нельзя рассчитать по закону Кулона Силы отталкивания возникают за счет перекрывания двойных электрических слоев, и когда происходит нарушение симметрии распределения ионов при .

Б.В.Дерягин установил экспоненциальный закон изменения электрических сил, определяющих отталкивание частиц, с расстоянием

(11.7)

где  - величина обратная толщине ДЭС.

В отличие от энергии притяжения при , .

Зависимость энергии отталкивания от расстояния между частицами изображена на рис. 11.8.

Рис. 11.8 Зависимость энергии отталкивания от расстояния между частицами.

Полная энергия взаимодействия между частицами получается путем сложения энергии притяжения в результате действия молекулярных сил и отталкивания в результате действия электрических сил.

(11.8)

Результирующая потенциальная кривая взаимодействия частиц показана на рис.11.9.

Рис. 11.9 Результирующая кривая изменения энергии взаимодействия частиц в зависимости от расстояния между ними. 1-энергия отталкивания, 2-энергия притяжения, 3-полная энергия.

При , .

На результирующей потенциальной кривой имеется три области. В области малых порядка 1 нм преобладают силы притяжения, так как при , . Это выражается в существовании на результирующей кривой первичного минимума, или ближней потенциальной ямы. Существование определяет необратимую агрегацию частиц. В области средних расстояний , равных толщине ионной оболочки, преобладают силы электростатического отталкивания. В этой области происходит перекрывание ДЭС соседних частиц, и силы отталкивания велики. Это определяет существование на результирующей кривой энергетического барьера , величина которого определяет вероятность слипания частиц. Чем выше , тем меньше вероятность его преодоления, тем устойчивее система.

Энергия отталкивания является экспоненциальной функцией расстояния между частицами, а энергия притяжения – степенной функцией. Экспоненциальная зависимость при больших значениях x убывает быстрее степенной . Поэтому притяжение будет преобладать при больших расстояниях между частицами. В области больших расстояний преобладают силы притяжения, т.к. они убывают по степенной функции медленнее, чем силы отталкивания. В результате этого на результирующей кривой появляется вторичный минимум, , или дальняя потенциальная яма. определяет обратимую агрегацию частиц, в том числе явление тиксотропии. Существование объясняет ряд других явлений. Так, малые частицы, прилипшие к стенке, совершают около нее интенсивное броуновское движение. В латексах можно наблюдать движение мелких частиц вокруг более крупных.

Результирующая потенциальная кривая взаимодействия частиц может быть представлена грубой механической моделью в виде шара, находящегося на рельефной поверхности (рис. 11.10).

Рис. 11.10. Механическая модель взаимодействия частиц.