11.1. Понятие об устойчивости

Устойчивость коллоидных систем является одной из центральных вопросов коллоидной химии, ибо она определяет возможность и время существования коллоидных систем. Время существования коллоидных систем изменяется в очень широких пределах. Так, золи золота, очищенные путем диализа, приготовленные еще Фарадеем, существуют еще и в настоящее время, т. е. более 100 лет. Эмульсия масла (например, подсолнечного, вазелинового) в воде, расслаивается в течение нескольких минут. Под устойчивостью, или стабильностью коллоидной системы мы понимаем способность системы сохранять свое первоначальное состояние. При этом необходимо учитывать, что устойчивая коллоидная система должна сохранять во времени два параметра; равновесное распределение частиц в среде и степень их дисперсности. С этим связаны два вида устойчивости коллоидных систем: седиментационная, или кинетическая и агрегативная. Седиментационная устойчивость рассматривается по отношению к силе тяжести и определяется установлением равновесия между силой тяжести, приводящей к оседанию частиц, и диффузией под действием броуновского движения, приводящей к их равномерному распределению. Вследствие этого частицы распределяются в объеме по гипсометрическому закону.

Агрегативная устойчивость определяет способность системы к сохранению степени дисперсности и индивидуальности частиц. Коллоидные системы агрегативны неустойчивы, т. к. в них протекают процессы слипания, коагуляции частиц с образованием агрегатов, представляющих собой ансамбль частиц. Если силы взаимодействия между частицами малы, то слипание частиц происходит обратимо и называется флокуляцией. Если силы взаимодействия между частицами велики, то происходит процесс необратимой коагуляции. В случае жидкой дисперсной фазы объединение двух капель в одну называется коалесценцией.

Крупные частицы оседают быстрее, чем мелкие, т.е. коагуляция приводит к уменьшению седиментационной устойчивости системы. В то же время первую стадию коагуляции следует рассматривать как переход к более устойчивому состоянию системы, что следует из термодинамического рассмотрения процесса.

При термодинамическом рассмотрении устойчивости и коагуляции следует учитывать, что при слипании частиц происходит уменьшение свободной поверхностной энергии . Это происходит по тому, что при слипании происходит уменьшение поверхности частицы (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Образование фазового контакта между частицами.

Вследствие уменьшения поверхности свободная поверхностная энергия уменьшается, и система переходит в более устойчивое состояние. При таком типе взаимодействия частицы одной фазы непосредственно контактируют между собой, т. е. образуются фазовые контакты. Их образование происходит двумя путями: поджатием при плавлении и выделением новой фазы.

Если слипание происходит через прослойки среды, то уменьшается поверхностное натяжение в прослойке (рис. 11.2). В этом случае коагуляция происходит без непосредственного контакта частиц, когда взаимодействие осуществляется через прослойку жидкости.

При слипании суммарная поверхность исходных частиц сохраняется постоянной.

Рис. 11.2. Образование коагуляционного контакта между частицами.

В зоне контакта происходит уменьшение поверхностного натяжения вследствие изменения состояния жидкости в прослойке. Поэтому свободная поверхностная энергия уменьшается, и устойчивость увеличивается. Контакты такого типа называются коагуляционными. Коагуляционные контакты склонны к тиксотропии и пластичности. В реальных условиях при коагуляции часто образуются контакты переходного типа, называемые точечными.