Теория ДЛФО – теория устойчивости и коагуляции

Разработана учёными Б.В. Дерягин и Л.Д. Ландау в 1937 – 1941 гг. и позже независимо от них голландскими учёнными Фервеем и Овербеком.

Теория удовлетворительно описывает закономерности поведения типично лиофобных дисперсных систем, для которых можно пренебречь адсорбционно-сольватным фактором устойчивости.

В соответствии теорией ДЛФО все частицы взаимодействую друг с другом, следующим образом:

1. Между частицами существуют силы отталкивания, имеющие электростатическую природу. Эти силы не проявляются на значительном расстоянии друг от друга. Когда диффузные слои перекрываются, возникает электростатической взаимодействие между противоионами и происходит перераспределение. Природа сил отталкивания при сближении мицелл сложнее, чем просто кулоновское взаимодействие.

Дерягин показал, что здесь проявляются силы особого рода, называемые расклинивающим давлением (силы отталкивания) – возникает при сильном уменьшении толщины слоя в результате перекрывания поверхностных слоёв.

Дерягин вычислил зависимость энергии отталкивания от расстояния между частицами, взяв за основу систему расчетов для двух пластин:

,

где l – расстояние между частицами; С – концентрация электролита; δ – толщина диффузного слоя; R – универсальная газовая постоянная; γ – параметр, зависящий от потенциала частиц, рассчитывается по формуле:

Энергия электростатического отталкивания может быть также рассчитана по следующей формуле:

,

где χ –обратная величина толщины диффузного ДЭС; h – расстояние между частицами, h=2l;

2. Силы притяжения между частицами (Ван-дер-Ваальсовы силы). Возникновение таких сил обусловлено:

а) взаимодействием диполей - эффект Кеезома – если молекулы полярны, их дипольный момент описывается по формуле

μ=ql,

где q – величина эффективного заряда, l – расстояние между центрами тяжести положительного и отрицательного заряда в молекуле,

то энергия взаимодействия между диполями – энергия ориентационного взаимодействия – описывается формулой:

,

где х – расстояние между диполями.

б) поляризацией одной молекулы другой - эффект Дебая - наблюдается при взаимодействии между диполем и индуцированным диполем – возникает под действием стабильного диполя, называется энергией индукционного взаимодействия:

,

где х – расстояние между диполями; α – поляризуемость частицы.

в) взаимодействием мгновенных и индуцированных моментов – эффект Лондона – обусловлено электронными переходами, называется энергией дисперсионного взаимодействия:

,

где h – постоянная Планка; ν – волновое число; х – расстояние между диполями; α – поляризуемость частицы.

В общем случае электрическое межмолекулярное взаимодействие определяется:

Поскольку коллоидная частица имеет определённый размер, то ДЭС можно представить как плоский, тогда

,

где А – Ван-дер-ваальсовская постоянная – константа Гамакера, учитывает природу взаимодействующих частиц, выражается в единицах энергии и имеет значение порядка 10^-19 Дж.

При сближении частиц ионно-стабилизированных золей баланс возникающих сил отталкивания и Ван-дер-ваальсовых (межмолекулярных) сил притяжения определяет суммарную потенциальную энергию взаимодействия частиц.

Уравнение справедливо для случая, когда толщина ДЭС меньше радиуса частиц, т.е. поверхность может рассматриваться как плоская.

Рис. 19. Зависимость U_отт, U_прит и суммарной потенциальной энергии U от расстояния между частицами h.

При сближении частиц энергия притяжения резко возрастает, а суммарная потенциальная энергия на некотором расстоянии между частицами проходит через max. U_max – потенциальный бартер отталкивания, который характеризует агрегативную устойчивость золя.

При увеличении концентрации электролита силы электростатического отталкивания уменьшается вследствие сжатия диффузных ДЭС частиц и потенциальный барьер отталкивания U_max снижается.

Рис. 20. Потенциальные кривые, характеризующие изменение энергии взаимодействия U двух коллоидных частиц от расстояния между их поверхностями h.

Кривая 1 – агрегативно устойчивый золь: потенциальный барьер отталкивания U_max достаточно высок, так что кинетической энергии при их столкновении недостаточно для его преодоления – коагуляция отсутствует.

Кривая 2 и 3 – концентрация электролита увеличивается. По мере увеличения концентрации электролита U_max снижается, доля эффективных соударений растёт и скорость коагуляции увеличивается - медленная коагуляция.

Кривая 4 отвечает наступлению быстрой коагуляции U_max=0, при любых расстояниях преобладают силы притяжения. Все столкновения эффективны, скорость коагуляции предельна.

Таким образом, скорость коагуляции зависит от интенсивности коагулирующего воздействия: концентрация электролита, заряд коагулирующих ионов и др.

Рис. 21. Зависимость начальной скорости коагуляции от концентрации электролита-коагулянта.

Вначале с увеличением концентрации скорость коагуляции растёт – медленная коагуляция, затем скорость перестаёт зависеть от концентрации электролита – быстрая коагуляция. С_к – концентрация электролита, при которой происходит переход от медленной к быстрой коагуляции, называется ПБК – порогом быстрой коагуляции.