Лекция 5. Кинетическая и агрегативная устойчивость коллоидных систем. 
Седиментационный анализ

Цели занятия:

Образовательная: ознакомить студентов с понятием кинетическая и агрегативная устойчивость коллоидных растворов.

Развивающая: продолжить расширять представления учащихся о свойствах коллоидных растворов. Развивать их познавательную деятельность и умение выделять главное в визуальной информации.

Воспитывающая: продолжить воспитывать внимательность, наблюдательность, эстетические чувства, умение обращаться с техникой.

Средства наглядности: компьютер, экран, проектор.

Технология: лекция с применением ТСО (компьютерная технология).

Этапы занятия: I Организационная часть.

Кинетическая и агрегативная устойчивость коллоидных систем

Отличительным признаком коллоидно-дисперсных систем от молекулярно-дисперсных является их термодинамическая неустойчивость. Всякая мицелла представляет собой агрегат более или менее простых молекул, характерный для данного золя только в данный момент и для совершенно определённых условий. Изменение условий может привести к изменению их размеров и выпадению осадка. При этом осадки сохраняют химический состав дисперсной фазы.

Н.П. Песков (1922) ввёл в науку о коллоидных системах понятия кинетической и агрегативной устойчивости. Кинетическая устойчивость — это устойчивость дисперсных систем по отношению к действию силы тяжести. Этот вид устойчивости объясняется наличием броуновского движения, благодаря чему диспергированные частицы способны противостоять действию сил тяжести или центробежных сил, вызывающих выделение мицелл из золя.

Грубодисперсные системы (например, пыль или суспензия песка в воде) седиментационно неустойчивы и оседают, так как частицы их тяжелы и практически не могут осуществлять теплового движения. Наоборот, высокодисперсные системы (газы, истинные растворы) обладают высокой кинетической устойчивостью, так как им свойственны тепловое движение и способность к диффузии. Коллоидные системы (аэрозоли, лиозоли) по устойчивости занимают промежуточное положение.

При достаточно высокой степени дисперсности, как диффузионное движение, приводит к выравниванию концентраций во всём объёме. Однако в достаточно толстых слоях полного выравнивания не достигается. Здесь в результате взаимодействия между силой тяжести и силой диффузии устанавливается некоторое состояние равновесия, характеризующееся постепенным уменьшением концентрации в направлении от нижних слоёв к верхним. Это седиментационное равновесие: оно характеризуется равенством скоростей седиментации и диффузии, когда через единицу поверхности сечения в единицу времени проходит вниз столько же оседающих частиц, сколько их проходит вверх с диффузионным потоком (в силу различной концентрации).

Распределение частиц в зависимости от высоты подчиняется гипсометрическому, или барометрическому закону, выведенному П. Лапласом:

где С1 — концентрация дисперсной системы на исходном уровне, С2 — концентрация этой системы на высоте h, М — масса моля вещества, g — ускорение силы тяжести.

Факторами кинетической устойчивости коллоидов и суспензий, кроме броуновского движения, являются дисперсность, вязкость дисперсионной среды и др. При этом наиболее существенное влияние на скорость расслаивания взвеси частиц оказывает дисперсность. Коллоидные системы обычно содержат частицы различных размеров и являются, таким образом, полидисперсными системами. Если к такой полидисперсной системе приложить некоторую постоянную силу (земного притяжения, центробежную), то частицы одинаковой величины будут оседать с одинаковой скоростью, но быстрее всего крупные и медленнее — мелкие и, следовательно, частиц среднего размера в верхней части раствора при равновесии будет меньше, чем в нижней. Кроме того, чем меньше частицы, тем больший срок требуется для установления равновесия. Скорость оседания частиц оказывается пропорциональной квадрату их диаметра.

В грубодисперсных растворах скорость установления равновесия сравнительно большая и равновесие устанавливается в течение нескольких минут или часов. В тонкодисперсных растворах она мала, и для достижения равновесия требуются годы или даже десятки лет.

В тонкодисперсных системах практически никогда не наблюдается седиментационного разделения, так как в обычных условиях хранения механические сотрясения, естественные колебания температуры и связанные с ним и конвекционные токи препятствуют установлению седимента-ционного равновесия. коллоидный раствор конденсация мембранный Агрегативная устойчивость — это способность данной системы в той или иной мере сохранять степень дисперсности образующих её мицелл. Этот вид устойчивости объясняется с одной стороны, наличием у коллоидных частиц зарядов, что мешает им соединиться в более крупные агрегаты, а с другой, агрегативную устойчивость коллоидных систем можно объяснить тем, что вокруг коллоидных частиц могут образовываться тесно связанные с каждой сольватные оболочки из молекул растворителя.

Исследования Б. В. Дерягина показали, что сольватные оболочки благодаря своей упругости и повышенной вязкости создают препятствие к слипанию частиц, производя «расклинивающее действие».

Таким образом, факторы агрегативной устойчивости отличны от факторов кинетической устойчивости. Это отличие состоит и в том, что если повышение температуры препятствует осаждению частиц, то оно способствует агрегированию их, если повышение интенсивности броуновского движения препятствует осаждению частиц, то слипание частиц происходит при столкновении в броуновском движении.