Коллоидная химия

Исследования показали, что утончение тонкого слоя при сближении частиц происходит путем вытекания аз него жидкости. Когда жидкий слой становится достаточно тонким (толщина его меньше 100-200 нм), свойства жидкости в нем начинают сильно отличаться от свойств жидкости в окружающем объеме. В слое появляется дополнительное давление, которое один из авторов теории ДЛФО Б.В. Дерягин назвал "расклинивающим давлением". По определению Дерягина, оно положительно, когда давление в слое понижено, это противодействует вытеканию из него жидкости, т.е. препятствует сближению коллоидных частиц. Отсюда происходит название "расклинивающее", т.е. давление, которое раздвигает, "расклинивает" частицы. Расклинивающее давление может быть и отрицательным, т.е. повышать давление в слое, ускорять вытекание из него жидкости и способствовать сближению частиц.

Возникновение расклинивающего давления в тонких жидких слоях обусловлено, главным образом, двумя факторами:

1) электростатическое взаимодействие в слое - это силы отталкивания с энергией

2) ван-дер-ваальсовы силы притяжения с энергией

Результирующая энергия межчастичного взаимодействия U определяется как сумма двух составляющих:

Если то преобладают силы отталкивания, коагуляция не происходит, золь является агрегативно устойчивым. В противоположном случае преобладают силы притяжения между частицами, происходит коагуляция.

Рассмотрим количественную интерпретацию этих сил.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ СИЛЫ ОТТАЛКИВАНИЯ

Электростатическое отталкивание между мицеллами возникает при перекрывании диффузных слоев противоионов. Энергия этого взаимодействия:

где h - расстояние между частицами; величина, обратная толщине диффузного слоя ; А - величина, не зависящая от А и определяемая параметрами ДЭС.

Величины и А могут быть рассчитаны на основе теории ДЭС.

Расчеты показывают, что энергия отталкивания уменьшается:

• при увеличении зарядов противоионов и их концентрации;

• при уменьшении по абсолютной величине и дзета-потенциала.

Из уравнения (10.16) следует, что убывает с увеличением расстояния между частицами h по экспоненциальному закону.

ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВЫ СИЛЫ ПРИТЯЖЕНИЯ

Энергия притяжения связана, главным образом, с дисперсионным взаимодействием между молекулами. Она может быть рассчитана по уравнению:

где - константа Гамакера, равная 10-12 эрг. Она рассчитана квантово-статистически и слагается из отдельных констант, характеризующих когезионные и адгезионные взаимодействия.

Из уравнения (10.17) следует, что энергия притяжения изменяется с увеличением расстояния между частицами h обратно пропорционально квадрату расстояния. Таким образом, притяжение сравнительно медленно уменьшается с увеличением расстояния. Так, при увеличении h в 100 раз энергия притяжения уменьшается в раз. В то же время энергия отталкивания уменьшается в раз.

Результирующая энергия взаимодействия между частицами, находящимися на расстоянии h, определяется уравнением:

Так как характер зависимости от h для энергии притяжения и отталкивания различный, естественно, что зависимость суммарной потенциальной энергии межчастичного взаимодействия от расстояния между частицами имеет сложный характер. Общий вид этой зависимости U = f(h) представлен на рис. 10.2 .

На графике есть три участка:

1) между частицами преобладают силы притяжения, наблюдается ближний минимум.

Происходит коагуляция.

2) - между частицами преобладают силы отталкивания.

3) - обнаруживается дальний минимум, однако глубина его невелика.

При т.е. при этих расстояниях между частицами силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания.

Таким образом, если частицы сблизятся на расстояние меньше они неизбежно слипнутся, но для этого должен быть преодолен потенциальный барьер . Это возможно при достаточной кинетической энергии частиц, которая среднестатистически близка к произведению kT.