Устойчивость и коагуляция коллоидных растворов

План лекции
Устойчивость коллоидных растворов, ее виды
Коагуляция коллоидных растворов электролитами
Правило Шульце-Гарди
Кинетика коагуляции
Взаимная коагуляция золей
Коллоидная защита

Гидрофобные коллоидные растворы
Обладают большой удельной поверхностью раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой
Большой избыточной поверхностной энергией
Являются термодинамически неравновесными, агрегативно-неустойчивыми
Можно говорить лишь об относительной устойчивости коллоидных систем

Кинетическая устойчивость
Способность дисперсных частиц удерживаться во взвешенном состоянии под влиянием броуновского движения и противостоять действию сил тяжести
Факторы кинетической устойчивости:
Броуновское движение
Степень дисперсности
Вязкость дисперсионной среды
Разность плотностей фазы и среды

Агрегативная устойчивость
Способность частиц дисперсной фазы поддерживать определенную степень дисперсности (препятствовать образованию агрегатов)
Факторы агрегативной устойчивости:
Заряд частиц
Сольватная оболочка
Температура

Теория устойчивости и коагуляции гидрофобных золей (Дерягин и Ландау)
Силы межмолекулярного притяжения – способствуют агрегации частиц
Силы электростатического отталкивания – наблюдается перекрывание диффузных слоев
При броуновском движении частицы могут свободно приближаться друг к другу на расстояние 10-5 см

Расклинивающее действие тонких слоев воды препятствует дальнейшему движению частиц
Для объединения частиц в агрегат необходимо преодолеть расклинивающее действие и сблизиться на расстояние 10-7 – 10-8 см

Коагуляция
Процесс объединения частиц в более крупные агрегаты
Скорость коагуляции тем больше, чем меньше ς - потенциал (меньше заряд частицы)
Процесс самопроизвольной коагуляции золей – старение

Факторы влияющие на скорость коагуляции
Температура
Концентрация золя
Электрический ток
Лучистая энергия
Добавление электролитов

Коагуляция золей электролитами
Коагулирующим действием в электролите обладают те ионы, которые имеют заряд, противоположный заряду гранул
Для начала коагуляции необходимо достичь порога коагуляции – некоторой минимальной концентрации электролита (ммоль/л), который нужно добавить к 1л золя, чтобы вызвать его явную коагуляцию

Правило значности Шульце-Гарди
Коагулирующая сила иона тем больше, чем больше его заряд
Коагулирующая способность двухзарядных ионов в десятки раз, а трехзарядных – в сотни раз выше, чем у однозарядных ионов
As2S3 – отрицательно заряженный золь
K+ Ba2+ Al3+
1 : 72 : 540
Fe(OH)3 – положительно заряженный золь
Br- SO42-
1 : 60

Коагулирующая способность ионов зависит
От способности ионов адсорбироваться на коллоидных частицах
От степени гидратации
Лиотропные ряды:
Cs+ > Rb+ > K+ > Na+ > Li+
Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ > Mg2+ > Be2+
Cl- > Br+ > NO3- > J- > CNS-

Механизм коагулирующего действия ионов
Сжатие диффузного слоя противоионов
Избирательная адсорбция ионов
Уменьшение ς - потенциала
Уменьшение расклинивающего действия дисперсионной среды

Перезарядка золей

Перезарядка наблюдается при добавлении, как правило, многозарядных ионов. Они обладают большой адсорбирующей способностью
Избыток ионов Fe3+ притягивает ионы Cl- и это меняет знак ς-потенциала
Чередование зон коагуляции – чередование зон электронейтральности и заряженности частиц

Кинетика коагуляции
Скрытая коагуляция – при увеличении концентрации электролита начинается образование частиц низших порядков
Явная коагуляция – видимые изменения золя (помутнение, изменение окраски)
Медленная коагуляция – увеличение концентрации электролита ускоряет коагуляцию
Быстрая коагуляция – увеличение концентрации электролита не влияет на скорость коагуляции

Зависимость скорости коагуляции и ς-потенциала от концентрации электролита

Коагуляция смесями электролитов
Аддитивность (суммирование) – коагулирующий эффект от двух электролитов равен сумме эффектов каждого из них
Синергизм – один электролит несколько усиливает коагулирующее действие другого
Антагонизм – общий эффект электролитов больше эффектов каждого из них (один электролит ослабляет действие другого)

Явление привыкания
При медленном добавлении электролита, или порциями через большие промежутки времени, коагуляция может не наступить
Происходит образование новых химических соединений (пептизаторов), которые придают частицам достаточный ς - потенциал

Взаимная коагуляция золей
Происходит, если смешать два коллоидных раствора, у которых частицы имеют противоположный заряд
Применяется:
Для очистки воды от частиц глины и органических примесей
Аl2(SO4)3 + 6H2O ⮀ Al(OH)3+ + 3Н2SO4
золь

Коллоидная защита
При добавлении к гидрофобному золю высокомолекулярных веществ происходит их адсорбция на коллоидных частицах и образование агрегатов, обладающих гидрофильными свойствами (белки, углеводы, желатин, казеин, альбумин, коллоидные ПАВ)
В присутствии высокомолекулярных веществ коллоидные растворы можно сконцентрировать вплоть до высыхания, а затем, добавив растворитель, снова получить коллоидные растворы – свойство обратимости

«Золотое число» (железное, серебряное, рубиновое)
Число мг сухого высокомолекулярного вещества, которое нужно добавить к 10 мл красного золя золота, чтобы предотвратить его коагуляцию при добавлении 1 мл 10% раствора NaCl
Золотые числа условны, так как на защитное действие вещества влияет дисперсность золя, молекулярный вес защитного вещества, значение рН системы