Коагуляция

Лиофобные коллоиды являются термодинамически неустойчивыми, существующими благодаря стабилизации за счет возникновения защитных ионных сил или молекулярных слоев, поэтому изменение состояния этих слоёв может привести к потере устойчивости и выпадению дисперсной фазы.

Коагуляция –процесс слипания коллоидных частиц с образованием более крупных агрегатов (что называется потерей агрегативной устойчивости) с последующей потерей кинетической устойчивости.

Коагуляция в разбавленных системах приводит к потере седиментационный устойчивости и к расслоению фаз.

К процессу коагуляции относят адагуляцию – агрегативное взаимодействие частиц дисперсной фазы с макроповерхностями.

Потеря агрегативной устойчивости приводит к коагуляции, первый этап которой состоит в сближении частиц дисперсной фазы и взсимной их фиксации на небольших расстояниях друг от друга. Между частицами остаются прослойки дисперсионной среды.

Флокуляция -это образование агрегатов из нескольких частиц, разделённых прослойками дисперсионной среды.

Коагуляция коллоидных растворов может быть вызвана следующими факторами:

- повышением температуры – увеличивается броуновское движение частиц, что способствует повышению кинетической устойчивости, это способствует более частым и эффективным столкновениям и преодолению сил отталкивания, следовательно, происходит слипание частиц, т.е. ведёт к понижению агрегативной устойчивости., одновременно снижается и кинетическая устойчивость;

- механическим воздействием (перемешиванием);

- объединением коллоидных систем с противоположным зарядом гранул;

- добавлением электролита.

Наиболее важным и изученным фактором коагуляции является действие электролита. Устанавливается ряд эмпирических закономерностей воздействия электролитов – правила коагуляции.

Правила коагуляции

1. Правило знака заряда. Любой электролит может вызвать коагуляцию дисперсной системы. Характер протекания определяется зарядом этой частицы.

2. Каждый электролит способен вызвать коагуляцию данного золя и мерой является порог коагуляции (γ) – та минимальная концентрация, которая вызывает явную коагуляцию. Из теории ДЛФО Дерягин и Ландау установили, что порог коагуляции определяется следующим уравнением:

,

где С – const; e - диэлектрическая постоянная; A – константа Гамакера; K - константа Больцмана; e – заряд электрона; z – заряд коагулирующего иона.

3. Правило валентности -правило Шульца – Гарди. Чем выше заряд коагулирующего иона, тем ниже порог коагуляции. Коагулирующая способность резко возрастает с увеличением заряда иона. Теория ДЛФО приводит к соотношению:

или Сz⁶ = const

или ,

где k – некоторый числовой множитель.

Таким образом, пороговая концентрация электролита обратно пропорциональна шестой степени заряда коагулирующего иона. Из чего следует, что соотношение пороговых концентраций для ионов разного заряда:

С_I : C_II : C_III = = 729:11:1

Одновалентный ион почти в 1000 раз эффективнее трёхвалентного иона.

На практике пороговая концентрация электролита определяется по следующей формуле:

,

где V₁ – объём электролита, добавляемого в коллоидную систему, необходимый для начала коагуляции; V₂ – начальный объем золя; с – концентрация электролита в добавляемом растворе.

Так, это явление проявляется при гипсовании солонцеватых почв (замене ионов Na⁺ на ионы Ca²⁺) и известковании кислых почв (замене ионов Н⁺ на ионы Ca²⁺). Коллоиды почв образуют при этом своеобразную микроструктуру: почва становится влагопроницаемой, увеличивается прочность ее структуры.

4. Лиотропные ряды или ряды Гофмейстера. Если коагулирующие ионы имеют одинаковый заряд, то большее коагулирующее действие будет иметь ион в большим радиусом (с меньшей степенью гидратации). В ряду неорганических ионов одинаковой зарядности коагулирующая активность увеличивается с уменьшением гидратации.

5. Связь коагуляции с величиной электрокинетического потенциала. Часто началу коагуляции соответствует снижение дзета-потенциала до критического значения. Слипание частиц имеет место при достижении ξ-потенциала 30 мВ.

Рис. 22. Зависимость электрокинетического потенциала от концентрации электролита.

В области очень маленьких концентраций ДЭС почти отсутствует. Система устойчива ниже критического значения дзета-потенциала.

а) Концентрационная коагуляция: с увеличением концентрации электролита ДЭС сжимается за счёт диффузных частиц и происходит коагуляция. При этом поверхностный заряд частиц и потенциал остаются незменными. Правило Шульце-Гарди применимо.

Рис. 23. Зависимость электропотенциала ДЭС от концентрации при концентрационной коагуляции.

б) Нейтрализационная коагуляция: добавляемые ионы электролита взаимодействуют с потенциалопределяющими ионами на поверхности частиц, связывая их в нерастворимое соединение, что понижает заряд и потенциал частиц. Это приводит к отклонению от правила Шулье-Гарди.

Рис.24. Зависимость электропотенциала ДЭС от концентрации при нейтрализационной коагуляции.

Влияние различных концентраций многозарядных ионов приводит к перезарядке золей явление непральных рядов коагуляции.

6. Коагулирующее действие органических ионов тем выше, чем выше адсорбционная способность.