7.5. Образование лиофильных коллоидных систем

Многие коллоидные системы могут возникать спонтанно, или самопроиз­вольно. Эти системы называются лиофильными коллоидными системами, так как взаимодействие между веществом дисперсной фазы и средой достаточно большое.

Образование термодинамически устойчивых дисперсных систем, как и истинных растворов, происходит самопроизвольно, сопровождаясь уменьше­нием свободной энергии.

Изменение свободной энергии при самопроизвольном диспергировании мо­жет быть выражено следующим образом:

(7.15)

При добавлении объем системы не меняется и . Поверхность при диспергировании увеличивается, т.е. . Энтропия системы при дроблении также возрастает: .

Для самопроизвольного протекания процесса должно выполняться условие . Это условие будет выполнимо, если возрастание свободной энергии из-за увеличения поверхности при диспергировании будет меньше убыли свобод­ной энергии из-за возрастания энтропии:

(7.16)

Изменение поверхности пропорционально числу частиц n, умноженному на размер частиц в квадрате . Изменение энтропии , т.е. кинетической энергии частиц, где - безмерный коэффициент, равный ~ 30.

(7.17)

Из этого уравнения можно получить критическое значения поверхностного натяжения:

(7.18)

для частиц , .

Самопроизвольное диспергирование возможно для коллоидных систем, в ко­торых .

Несмотря на большую межфазную поверхность в лиофильных дисперсных системах, малое межфазное натяжение обуславливает сравнительно небольшую поверхностную энергию, которая способна компенсироваться энтропийной со­ставляющей. Малое значение возможно только при значительном межфаз­ном взаимодействии, характерном для жидких сред. Поэтому термодинамиче­ски устойчивыми свободно-дисперсионными системами могут быть только сис­темы с жидкой дисперсной средой.

При самопроизвольном диспергировании образуются дисперсные системы, характеризующиеся кривыми распределения с некоторым наиболее вероятным радиусом, т. е. существует оптимальная дисперсность. Дальнейшее диспергиро­вание, вплоть до молекул, невозможно, так как состояние с оптимальной дис­персностью более выгодно, чем состояние двух сопряженных сплошных фаз или состояние истинного раствора. По мнению Ребиндера, термодинамическая устойчивость двухфазных дисперсных систем определяется двумя условиями: достаточно низким межфазным поверхностным натяжением и быстрым его рос­том с уменьшением радиуса частиц.

Наиболее типичными представителями лиофильных коллоидных систем яв­ляются растворы коллоидных ПАВ и высокомолекулярных соединений, а также водные дисперсии эмульсолов (углеводородов с большим содержанием (10-20%) мыл или мылоподобных поверхностно-активных веществ). Эмульсолы применяют в качестве смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) при холодной обработке металлов.