ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Теория коагуляции лиофобных золен из "Коллоиды" Такие мицеллы в целом электронейтральны и не должны отталкиваться. Тем не менее, когда коллоидные частицы подходят очень близко друг к другу, их диффузные слои перекрываются и взаимодействуют. Это взаимодействие совершается в тонкой прослойке дисперсионной среды, разделяющей частицы. Устойчивость как лиофобных золей, так и других коллоидных систем определяется, главным образом, особыми свойствами этих тонких жидких слоев. [c.98] Представим себе две коллоидные частицы, которые сближаются в дисперсионной среде. Вначале они разделены толстым слоем жидкости, который при сближении частиц утончается и в конце концов превращается в очень тонкий слой (рис. 48). Поскольку частицы имеют очень малые размеры, площадь образованного слоя также очень мала. Для сферических частиц слой вогнут с двух сторон, а в других случаях может быть плоским или неправильной формы. [c.98] После образования тонкого жидкого слоя утончение его может продолжаться и дальше, а это еще больше сближает частицы. Утончение жидкого слоя заканчивается либо разрывом его при некоторой малой толщине, либо достижением некоторой равновесной толщины, которая далее не уменьшается. В первом случае частицы слипаются, а во втором нет. Очевидно, что свойства тонкого жидкого слоя определяют, произойдет ли коагуляция (коалесцепция), т. е. определяют устойчивость коллоидов. [c.99] Исследование столь малых по площади тонких пленок непосредственно в коллоидной системе затруднительно. Поэтому прибегают к моделированию — воспроизведению при определенных условиях единичных изолированных жидких слоев. Моделирование микроскопического свободного жидкого слоя (пенная пленка) можно осуществить в приборчике, изображенном в разрезе на рис. 49. В открытом сверху и снизу стеклянном цилиндрике после погружения Б исследуемый раствор образуется, вследствие поверхностного натяжения, двояковогнутая капля (рис. 49,а). Часть жидкости осторожно извлекают в боковую трубочку при этом две вогнутые поверхности сближаются и уплотняются до тех пор, пока в середине не образуется маленькая круглая плоская жидкая пленка (рис. 49,6). Эту пленку можно наблюдать и исследовать при помощи микроскопа. [c.99] Образование подобных пленок возможно между двумя пузырьками и в жидкости в этом случае сближение пузырьков можно контролировать. Подобные приборы позволяют моделировать и другие виды тонких жидких слоев. [c.99] Рассмотрим теперь, какие свойства тонких жидких слоев были обнаружены. Тонкий слой, возникающий при сближении двух граничных поверхностей, продолжает утончаться. Происходит это путем вытекания жидкости из тонкого слоя к толстым его краям, связанным с объемом жидкости. Какие силы заставляют жидкость вытекать из слоя Следует иметь в виду, что из-за малой толщины слоя течение в нем сильно затруднено. Если толщина его сравнительно велика, значит, действуют внешние силы, прежде всего капиллярное давление вследствие того, что края слоя вогнутые, давление там, по сравнению с плоским слоем, понижено на величину 2у1Я [формула (13)]. Разность давлений в этих двух местах выталкивает жидкость из, слоя. Другими внешними силами могут быть гидростатическое давление, если слой не горизонтален, или силы, под действием которых сближаются коллоидные частицы. [c.100] Из выражения (26) видно, что Пэл быстро (экспоненциально) нарастает с уменьшением к, т. е. с утончением жидкого слоя. Другим важным следствием является то, что Пэл уменьшается при увеличении концентрации электролита в растворе С входит в формулу дважды —в виде множителя, а также через я в показатель степени. На самом деле, при возрастании С толщина диффузных электрических слоев и силы, вызывающие их деформацию, уменьшаются из уравнения (26) следует также, что при С = О, т. е. когда в жидкости нет никаких ионов, электростатическое расклинивающее давление также равно нулю. Действительно, если нет никаких ионов, нет и диффузных электрических слоев, нечему деформироваться, а следовательно, нет и Пэл- Пример такого случая — неполярные органические растворители, в которых электролитическая диссоциация отсутствует. Параметр Пэл возникает только в том случае, если дисперсионная среда является полярной жидкостью, как вода . [c.102] Из уравнения (27) следует, что когда притяжение между двумя молекулами обратно пропорционально г , Пв, являющееся суммой сил притяжения любой молекулы ко всякой другой, зависит от т. е. уменьшается гораздо медленнее прц увеличении расстояния между частицами. [c.103] Таким образом, расклинивающее давление есть сумма двух слагаемых Пэл и Пв. Первое обусловлено электростатическими силами отталкивания эта величина положительна, поскольку действует в сторону утолщения жидкого слоя. Второе слагаемое, являющееся результатом сил притяжения, отрицательно, т. е. приводит к уточнению жидкого слоя . Тогда свойства слоя определяются общим расклинивающим давлением, являющимся алгебраической суммой Пэл и Пв. Если преобладает Пэл, общее давление П О и оно может скомпенсировать внешнее давление Ро [см. формулу (25)] и остановить вытекание жидкости из жидкого слоя. Это приведет к образованию стабильного слоя с равновесной толщиной. Последняя тем больше, чем больше Пал, т. е. чем меньше С. Это значит, что для уменьшения толщины слоя необходимо увеличить концентрацию электролита в жидкости. [c.103] Если же преобладает Пв, общее П О, а это приводит к ускорению вытекания жидкости из слоя. [c.103] Жидкий слой достигает очень малой толщины, при которой становится нестабильным и может самопроизвольно разорваться. Толщина слоя, при которой происходит разрыв, называется критической толщиной разрыва и она имеет большое значение для коагуляции. [c.104] В некоторых случаях, при наличии в растворе но-верхностно-активных веществ, жидкий слой вместо разрыва самопроизвольно, скачком, переходит в другое состояние с гораздо меньшейтолщиной. Эти наитончайшие жидкие слои называются черными пленками . На них мы остановимся при рассмотрении пен. [c.104] При быстрой коагуляции, в случае которой каждая встреча приводит к слипанию (коэффициент эффективности а= 1), вторая часть задачи отпадает —решение первой части дает нам скорость быстрой коагуляции. Тем не менее именно вторая часть задачи дает определенные условия, при которых начинается быстрая коагуляция. При медленной коагуляции (а 1) необходимо полное решение обеих частей. Рассмотрим их по отдельности. [c.104] Из уравнения (29) уже можно вычислить, как уменьшается число частиц при коагуляции, т. е. ее скорость, а также время, за которое коллоид практически коагулирует. Однако для этого необходимо з ать константу к. Смолуховский, используя уравнение диффузии Фика и закон Эйнштейна для броуновского днижения [формулы (5) и (6)], вывел теоретическое выражение для к. [c.105] Для того, чтобы применить теорию к реальным коллоидным растворам, в которых частицы неодинаковы и происходит седиментация, а также перемещи-вание золя и другие осложняющие процессы, необходимо дополнить теорию Смолуховского. Эти дополнения достаточно сложны, и мы не будем их рассматривать. [c.107] Поскольку а —дробное число, общее число частиц уменьшается со временем медленнее, чем это следует из уравнения (30). [c.107] Остается открытым вопрос о способе определения а. Это, в сущности, вторая часть задачи о коагуляции. Теория этой проблемы была разработана Дерягиным, а вслед за ним Фервеем и Овербеком, которые взяли за основу свойства тонких жидких слоев, возникающих между коллоидными частицами при их сближении . [c.107] Как мы уже видели, в тонких жидких слоях толщиной менее 100—200 нм возникают электростатическое и вандерваальсово расклинивающие давления, которые определяют дальнейшее развитие жидкого слоя. Рассмотрим теперь подробно одновременное действие этих давлений на коллоидные частицы при их встрече. На рис. 52 приведены графики зависимости Пэл и Пв, а также суммы их П = Пэл + Пв от толщины /г жидкого слоя, т. е. от расстояния между двумя коллоидными частицами. [c.107] Напротив, вандерваальсово расклинивающее давление отрицательно при всех толщинах и кривая его лежит под осью абсцисс. Оно вызывает сближение частиц. Пв также возрастает (по абсолютной величине) с уменьшением Л, но зависимость не экспоненциальная, а кубическая — Пв обратно пропорционально При этом, когда толщина становится бесконечно малой (/г- 0), давление неограниченно возрастает (Пв- -оо). Это различие в зависимости Пэл и Пв от /г делает суммарную кривую достаточно сложной. Рассмотрим ход кривой справа налево в направлении утончения жидкого слоя. [c.108] Каково действие суммарного расклинивающего давления на две сближающиеся коллоидные частицы Вначале, когда оно появляется, П отрицательно и способствует сближению частиц (участок аЬ на оси абсцисс, рис. 52). В интервале толщины Ьс П становится положительным и препятствует сближению частиц, стремясь их раздвинуть. Если частицы не движутся с большой скоростью, это отталкивание может действительно изменить направление их движения, что приведет к удалению их друг от друга. Только коллоидные частицы, скорость которых больше некоторой определенной величины и которые обладают достаточной кинетической энергией, могут преодолеть эту зону отталкивания, этот силовой барьер и достигнуть участка сО , где отрицательное П быстро возрастает и склеивает частицы друг с другом. Коэффициент эффективности а можно определить следующим образом из всех встреч эффективна та часть их, при которой частицы сближаются с достаточно большой скоростью. [c.109] Вернуться к основной статье