Презентация на тему Устойчивость дисперсных систем

как и другие виды ДС, - термодинамически неустойчивые системы.

Причиной неустойчивости является большая межфазная поверхность.
Проблема устойчивости - одна из основных проблем коллоидной химии, так как это проблема «жизни и смерти» ДС.
Практика ставит противоположные задачи: сохранение или разрушение ДС, т.е. сделать систему устойчивой или неустойчивой. Устойчивыми должны быть лекарственные препараты в форме аэрозолей, мазей, паст, суспензий. При очистки воды от взвешенных частиц, наоборот требуется разрушение ДС.

ДС понимают постоянство во времени ее состояния и основных

свойств:
дисперсности;
равномерного распределения частиц ДФ в объеме ДСр;
характера взаимодействия между частицами.

ДС (М.П. Песков):
Кинетическая (седиментационная) устойчивость позволяет системе сохранять равномерное

распределение частиц в объеме, т. е. противостоять действию силы тяжести и процессам оседания или всплывания частиц. Основными условиями этой устойчивости являются высокая дисперсность и участие частиц ДФ в броуновском движении.
Термодинамическая (агрегативная) устойчивость дисперсных систем -это способность противостоять агрегации частиц.

отношении ДС делят на два класса:
термодинамически устойчивые, или лиофильные

коллоиды, которые самопроизвольно диспергируются и существуют без дополнительной стабилизации (мицеллярные растворы ПАВ, растворы ВМВ и т. п.). При образовании этих систем свободная энергия Гиббса системы уменьшается (ΔG < 0);
термодинамически неустойчивые, или лиофобные, системы (золи, суспензии, эмульсии, пены, аэрозоли). Для них ΔG > 0.

системами агрегативной устойчивости приводит к коагуляции ДС.
Коагуляция

– процесс слипания частиц, образования более крупных агрегатов, в результате чего система теряет седиментационную устойчивость, происходит разделение фаз и ДС разрушается.
В системах с жидкой ДФ процесс слияния частиц называется коалесценцией.

вместе с тем, обладают способностью сохранять в течении определенного

времени свое состояние и свойства неизменными.
Этот факт объясняют различные теории устойчивости ДС.

Эта теория исходит из положения, что при коагуляции

золей ионы-коагуляторы адсорбируются коллоидными частицами в соответствии с изотермой адсорбции а = КС1/n. При этом Фрейндлих считал, что коагуляция наступает при одинаковом понижении ζ-потенциала, которое достигается при адсорбции эквивалентных количеств различных ионов.

снижение ζ -потенциала до критического значения уменьшением числа зарядов

потенциалобразующих ионов вследствие нейтрализации их адсорбирующимися ионами-коагуляторами.
Однако дальнейшие исследования показали, что эта теория имеет ограниченное применение, так как далеко не всегда наблюдались эквивалентность адсорбции разных электролитов и совпадение изотерм адсорбции различных ионов. Кроме того, во многих случаях коагуляция связана с изменениями лишь в диффузном слое, а заряд потенциалобразующих ионов остается постоянным.

устойчивости были изложены в работах Дерягина и Ландау в

1937-1941 гг. Несколько позднее и независимо от них к аналогичным выводам пришли голландские физико-химики Фервей и Овербек. В честь этих ученых она названа теорией ДЛФО.
Согласно современной теории ДЛФО между частицами ДФ действуют силы молекулярного притяжения и силы отталкивания. Баланс этих сил (энергий) определяет результат встречи двух частиц ДФ.

Ван-дер-Ваальса и изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между частицами.

Силы отталкивания, согласно теории ДЛФО, носят электростатический характер. Они проявляются, если две одноименно заряженные частицы сближаются настолько, что их диффузные слои взаимно перекрываются. Энергия отталкивания убывает с расстоянием.

фазы принято характеризовать с помощью потенциальных кривых - зависимостей

суммарной энергии взаимодействия частиц от расстояния.

энергии отталкивания;
2 -энергии притяжения;
3 - результирующая кривая

На кривой можно выделить на ней следующие характерные участки:
в

области малых расстояний на кривой имеется глубокий первичный минимум (потенциальная яма), что указывает на значительное преобладание энергии притяжения.
в области больших расстояний также может быть некоторое превосходство энергии притяжения, что отражается вторичным неглубоким минимумом (вторая потенциальная яма).

имеется максимум, и если он расположен над осью абсцисс,

то появляется потенциальный энергетический барьер сил отталкивания ΔUб. Величина ΔUб, тесно связана с агрегативной устойчивостью системы.

(кТ), за счет которой они могут сближаться на то

или другое расстояние. В зависимости от высоты энергетического барьера и глубины потенциальных ям возможны следующие варианты поведения частиц при сближении.

б - агрегативно устойчивая система; в - коагуляция

отсутствие или неглубокий вторичный минимум (ΔUя≤kT) означают, что частицы

не могут преодолеть барьер и расходятся без взаимодействия. В этом случае система агрегативно устойчива (рис., б).
При малой высоте барьера и неглубоком вторичном минимуме, когда броуновское движение может сблизить частицы до таких малых расстояний, что они попадут в первую потенциальную яму, при этом частицы вступают в ближнее взаимодействие, т. е. непосредственно соприкасаются, и происходит элементарный акт коагуляции (рис., в).

глубоком вторичном минимуме (ΔUя≤kT) и наличии заметного энергетического барьера

(ΔUб >kT) имеет место дальнее взаимодействие двух частиц, при котором частицы не могут разойтись (их удерживают силы притяжения) и не могут приблизиться вплотную, так как этому препятствуют силы отталкивания. При таких условиях образуются структурированные системы - гели, в которых, однако, сохраняются прослойки среды между частицами. Образующиеся гели представляют собой периодические коллоидные структуры, имеющие квазикристаллическое строение.

- из сферических частиц; б - из удлиненных частиц

возможных случаев взаимодействия частиц следует, что ДС агрегативно устойчива

только при высоком энергетическом барьере сил отталкивания. Поэтому все те факторы, которые снижают величину энергетического барьера ΔUб, неизбежно понижают агрегативную устойчивость системы.
В тех случаях, когда велика роль адсорбционно-сольватного фактора устойчивости, проявляется приближенность теории ДЛФО, поскольку она не учитывает роли специфической адсорбции.

термодинамическим факторам относятся следующие:
электростатический - способствует созданию электростатических сил

отталкивания, возрастающих при увеличении потенциала поверхности частиц Δφ и особенно электрокинетического потенциала ζ.

натяжения и снижению энергии Гиббса поверхности раздела;
энтропийный - является

дополнительным к двум первым факторам и действует в высокодисперсных системах, частицы ДФ которых участвуют в броуновском движении; способствует равномерному распределению частиц по объему системы.

агрегации частиц ДФ, относятся:
структурно-механический - связан с образованием на

поверхности частиц защитных слоев (пленок), обладающих упругостью и механической прочностью, стойких к разрушению;
гидродинамический - снижает скорость агрегации вследствие изменения вязкости среды, плотности ДФ и ДСр.

ДС обычно обусловливается одновременным действием нескольких факторов.

При этом основную роль играют два фактора агрегативной устойчивости: электростатический барьер, создаваемый силами отталкивания, и адсорбционно-сольватный барьер, окружающий частицу и механически препятствующий ее сближению с другими частицами.

факторов устойчивости привело к представлению о «расклинивающем давлении» (Дерягин).
Расклинивающее

давление возникает при сближении частиц, когда между ними остаются тонкие пленки ДСр. Его можно рассматривать как избыточное давление в тонкой пленке по сравнению с гидростатическим давлением в той фазе, из которой она образовалась, действующее со стороны прослойки на ограничивающие её поверхности и стремящееся раздвинуть их.

формулой П = р – ро, где П –

расклинивающее давление, р и ро – давление в пленке и гидростатическое давление в окружающей пленку фазе.
При уменьшении толщины пленки поверхностные слои, ограничивающие её, начинают перекрываться, вследствие чего возникает давление, обусловленное взаимодействием сближающихся фаз и межфазных слоев.

как силы отталкивания, так и силы притяжения, проявляющиеся между

сближающимися поверхностями.
Силы притяжения определяют отрицательную составляющую расклинивающего давления. Это силы притяжения между атомами и молекулами частиц, силы Ван-дер-Ваальса.

давления, они включают в себя:
а) силы электростатического отталкивания,

возникающие при перекрывании диффузных слоев частиц;
б) структурную составляющую, обусловленную тем, что под влиянием заряженных поверхностей частиц фазы происходит изменение структуры воды в слоях, прилегающих к этим поверхностям. Структурированные поверхностные слои приобретают упругие свойства, препятствующие дальнейшему утоньшению пленки.