1.7. Стабилизация коллоидных растворов лиофобных золей
Стабилизация лиофобных дисперсных систем проводится для повышения их агрегативной устойчивости, т. е. для предотвращения коагуляции. В качестве стабилизаторов обычно используются поверхностно-активные вещества (ПАВ) и высокомолекулярные соединения (ВМС) — белки, углеводы, пектины.
При введении в раствор лиофобного золя небольших концентраций ВМС или ПАВ устойчивость золя значительно повышается в результате увеличения порога коагуляции. На этом свойстве основано явление защиты лиофобных золей от слипания частиц, которое назы-
вается коллоидной защитой.
Механизм защитного действия связан с образованием адсорбционного слоя введенного вещества на поверхности частиц дисперсной фазы.
Адсорбирующие макромолекулы, содержащие полярные группы, хорошо гидратируются и образуют вокруг коллоидных частиц мощные гидратные оболочки, препятствующие слипанию частиц (адсорбционно-сольватный фактор).
Огромную роль в стабилизации играет также структурномеханический фактор, связанный с формированием на поверхности частиц структурированных адсорбционных слоев из молекул полимера или ПАВ, обладающего упругостью, высокой вязкостью и механической прочностью. Особенно сильное стабилизирующее воздействие имеют ПАВ и ВМС, которые образуют на поверхности частиц двухмерную пленку с улучшенными струк- турно-механическими свойствами. К таким веществам относятся длинноцепочечные ПАВ (соли и эфиры высших карбоновых кислот) и ионные ВМС — полиэлектролиты (желатина, казеин, замещенные эфиры целлюлозы и др.).
Изучение свойств стабилизированных золей показывает, что в результате адсорбции на поверхности коллоидных частиц молекул ПАВ или ВМС защищенные золи приобретают некоторые свойства веществ, примененных для их защиты. Например, растворы ВМС малочувствительны к добавлению электролитов. Стабилизированные ВМС золи ведут себя так же, как растворы ВМС, в частности не подчиняются правилу Шульце — Гарди, т. е. валентность иона-коагулянта практически не влияет на значение порога коагуляции.
При использовании стабилизаторов нужно учитывать свойства стабилизатора, условия стабилизации, а также концентрацию используемых веществ. В частности, при низких концентрациях стабилизатора устойчивость системы может снизиться. Избыток стабилизатора может привести к коагуляции, так как в этом случае возможно формирование второго слоя молекул стабилизатора, ориентированного противоположным образом к первому слою.
Защитная способность растворов полимеров или ПАВ для дан-
ного золя характеризуется защитным числом стабилизатора S —
количеством вещества, необходимого для стабилизации единицы объема золя.
Защитное число стабилизатора S рассчитывают по уравнению
Источник
Х и м и я
Коллоидная химия
Стабилизация коллоидных растворов.
Неустойчивость дисперсных систем
Дисперсные системы принципиально термодинамически не устойчивы.
На границе раздела фаз дисперсных систем происходят процессы, направленные на уменьшение свободной поверхностной энергии, приводящие к уменьшению дисперсности, т.е. к укрупнению частиц.
Поэтому происходит слияние мелких капель в туманах, дождевых облаках и эмульсиях, агрегация высокодисперсных частиц в более крупные образования.
Всё это приводит к разрушению дисперсных систем: туманы и облака проливаются дождями, эмульсии расслаиваются, коллоидные растворы коагулируют, т.е. разделяются на осадок дисперсной фазы (коагулят) и дисперсионную среду или, в случае вытянутых частиц превращаются в гель.
Способность раздробленных систем сохранять присущую им степень дисперсности называется агрегативной устойчивостью.
Способы стабилизации дисперсных систем
Предотвращение агрегации (объединения) первичных дисперсных частиц возможно в результате трёх факторов, влияющих на устойчивость дисперсных систем:
2. Электрического и
Кинетический фактор устойчивости
Необходимым условием слипания двух частиц дисперсной фазы является их сближение, достаточное для проявления сил притяжения.
Если частота столкновения коллоидных частиц мала, то дисперсная система может быть устойчивой. Это может иметь место при очень малой концентрации дисперсных частиц (например, в некоторых аэрозолях) или при очень большой вязкости дисперсионной среды, например в системах, где и дисперсная фаза, и дисперсионная среда – твёрдые вещества.
Мы подробнее рассмотри второй и третий факторы (электрический и структурно-механический), влияющие на устойчивость, именно потому что на основе их разработаны методы стабилизации дисперсных систем.
Большинство устойчивых дисперсных систем кроме дисперсной фазы и дисперсионной среды, содержат ещё третий компонент, являющийся стабилизатором дисперсности.
Стабилизатором могут быть как ионы, так и молекулы, в связи с чем различают два механизма стабилизации дисперсных систем: электрический и молекулярно-адсорбционный (структурно-механический).
В основе обоих механизмов лежит адсорбция, но в случае электрического механизма на поверхности коллоидных частиц происходит адсорбция ионов, а в случае молекулярно-адсорбционного механизма — адсорбция молекул.
Электрическая стабилизация дисперсных систем
Электрическая стабилизация дисперсных систем связана с возникновением двойного электрического слоя на границе раздела фаз. (Подробнее об этом см. раздел: Коллоидные частицы. Строение коллоидной мицеллы. ).
Такая стабилизация имеет основное значение для получения устойчивых лизолей и суспензий в полярной среде, например, в воде.
В любом гидрозоле все коллоидные частицы имеют одинаковый знак заряда. Однако коллоидная мицелла в целом электронейтральна в результате образования двойного электрического слоя.
Поэтому электростатическое отталкивание между коллоидными частицами (электрический фактор устойчивости) возникает только при достаточном их сближении, когда происходит перекрывание их ионных атмосфер.
Потенциальная энергия электростатического отталкивания тем больше, чем больше перекрывание диффузных частей двойного электрического слоя двойного электрического слоя коллоидных частиц, т.е. чем меньше расстояние между ними и чем больше величина двойного электрического слоя.
Кроме электростатического отталкивания, между коллоидными частицами, как и между молекулами любого вещества, действуют межмолекулярные силы притяжения, среди которых наибольшую роль играют дисперсионные силы.
Потенциальная энергия взаимодействия (U) между коллоидными частицами представляет собой алгебраическую сумму потенциальной энергии электростатического отталкивания (Uэ) и потенциальной энергии дисперсионного притяжения (Uд) между ними:
Если силы отталкивания преобладают над силами притяжения, то дисперсионная система устойчива.
И наобортот, если силы притяжения оказываются выше, то происходит слипание сталкивающихся при броуновском движении коллоидных частиц в более крупные агрегаты и их дальнейшая седиментация (оседание). Коллоидный раствор коагулирует, т.е. разделяется на коагулят (осадок) и дисперсионную среду.
Таким образом, при стабилизации дисперсных систем добиваются того, чтобы силы отталкивания между коллоидными частицами преобладали над силами межмолекулярного притяжения.
В случае электрической стабилизации это осуществляется поддержанием относительно высокого электрического потенциала гранулы коллоидной частицы (так называемого ζ-потенциала).
Коллоидные частицы, которые не имеют электрического заряда или имеют малый заряд легко и быстро коагулируют.
Электрическая стабилизация частиц может быть достигнута добавлением в золь электролита. При этом очень важное значение будет иметь количество добавленного электролита, поскольку электролит, с одной стороны, может стабилизировать золь, а с другой – их избыточное добавление ведёт к коагуляции золей.
Молекулярно-адсорбционная стабилизация дисперсных систем. Структурно-механический фактор
Молекулярно-адсорбционная стабилизация дисперсных систем играет большую роль в устойчивости дисперсий как в водной, так и в неводных средах.
Дисперсные системы в неводных средах в принципе менее устойчивы, чем в водной среде. В неполярной и не содержащей воды дисперсионной среде частицы дисперсной фазы лишены электрического заряда. Электрический фактор стабилизации отсутствует.
Между дисперсными частицами существуют только силы взаимного притяжения. Ослабление этих сил, приводящее к стабилизации дисперсных систем, может происходить в результате образования вокруг коллоидных частиц адсорбционных слоёв из молекул дисперсионной среды и растворённых в ней веществ.
Такие слои ослабляют взаимное притяжение частиц дисперсной фазы и создают структурно-механический барер, препятствующий их сближению.
Стабилизация дисперсных систем за счёт сольватации дисперсной фазы молекулами дисперсионной среды возможна как в полярных, так и в неполярных средах.
Так, гидратация частиц глины и кремневой кислоты имеет существенное значение для устойчивости суспензий глин и золя кремневой кислоты в водной среде.
Однако, стабилизация дисперсных систем значительно более эффективна при добавлении к ним поверхностно-активных веществ (ПАВ) и высокомолекулярных соединений, адсорбирующихся на границе раздела фаз.
Адсорбционные слои ПАВ и высокомолекулярных соединений, обладая упругостью и механической прочностью, надёжно предотвращают слипание дисперсных частиц.
Образование таких молекулярно-адсорбционных твёрдообразных поверхностных слоёв советский физик П.А. Ребиндер назвал структурно-механическим фактором стабилизации дисперсных систем.
Этот механизм играет основную роль при получении предельно устойчивых высококонцентрированных пен, эмульсий, коллоидных растворов и суспензий не только в неводных, но и в водных средах.
Для структурно-механической стабилизации дисперсий в водной среде применяют мыла щелочных металлов, белки, крахмал, а в неводных средах – мыла щелочноземельных металлов, смолы каучуки. Такие вещества называют защитными коллоидами.
Источник
