Ցրված համակարգերի կայունություն և կոագուլյացիա: Կոլոիդային լուծույթների կայունությունը Անկայուն կոլոիդային համակարգում գերակշռում են գրավիչ ուժերը

Բնական և կեղտաջրերը նուրբ, էմուլսացված, կոլոիդային և գունավոր կեղտերից (1 և 2 խմբեր) մաքրելու հիմնական մեթոդը կոագուլյացիան և ֆլոկուլյացիան է: Մեթոդները հիմնված են ցրված ֆազային մասնիկների ագրեգացման վրա, որին հաջորդում է դրանց հեռացումը ջրից մեխանիկական նստեցման միջոցով:

Կոագուլյացիայի կեղտաջրերի մաքրման պրոցեսների արդյունավետությունն ու տնտեսությունը որոշվում է ցրված համակարգի կայունությամբ, որը կախված է մի շարք գործոններից՝ ցրվածության աստիճանից, մասնիկների մակերեսի բնույթից, մասնիկների խտությունից, էլեկտրակինետիկ ներուժի մեծությունից, կոնցենտրացիայից։ , և կեղտաջրերում այլ կեղտերի առկայությունը, օրինակ՝ էլեկտրոլիտներ, բարձր մոլեկուլային միացություններ։

Գոյություն ունենալ տարբեր ձևերովկոագուլյացիայի իրականացում, որի իրագործելիությունը կախված է համակարգերի ագրեգատիվ կայունությունը որոշող գործոններից։

Կոլոիդային համակարգերի ագրեգատիվ կայունությունկախված է դրանց կառուցվածքից:

Ունենալով մեծ հատուկ մակերես՝ կոլոիդային մասնիկները ունակ են ջրից ներծծելու իոններ, ինչի արդյունքում շփվող փուլերը ձեռք են բերում հակառակ նշանի լիցքեր, բայց մեծությամբ հավասար։ Արդյունքում մակերեսի վրա հայտնվում է էլեկտրական կրկնակի շերտ։ Իոնները, որոնք համեմատաբար սերտորեն կապված են ցրված պինդ փուլի հետ, կոչվում են ներուժը որոշող. Չեզոքացվում են ավելցուկով հակադրություններ. Ջրային լուծույթներում կրկնակի շերտի հաստությունը չի գերազանցում 0,002 մմ:

Իոնների կլանման աստիճանը կախված է ներծծվող իոնների մակերևույթի նկատմամբ մերձեցումից և չտարանջատվող մակերևութային միացություններ ձևավորելու նրանց կարողությունից: Նույն վալենտության իոնների կլանման ժամանակ կլանման հզորությունը մեծանում է իոնի շառավիղի աճով և, համապատասխանաբար, դրա բևեռացման, այսինքն. կոլոիդային մասնիկի մակերեսին ձգվելու ունակություն. Իոնի շառավիղի մեծացումը ուղեկցվում է նաև դրա խոնավացման նվազմամբ, խիտ հիդրատացիոն թաղանթի առկայությունը կանխում է կլանումը, քանի որ նվազեցնում է իոնի էլեկտրական փոխազդեցությունը կոլոիդային մասնիկի մակերեսի հետ։

Էլեկտրական կրկնակի շերտի կառուցվածքի մասին ժամանակակից պատկերացումների համաձայն, հակաիոնային շերտը բաղկացած է երկու մասից. Մի մասը հարում է միջերեսային մակերեսին և կազմում է կլանման շերտ, որի հաստությունը հավասար է իր կազմող հիդրատացված իոնների շառավղին։ Կոնտրիոնների մյուս մասը գտնվում է ցրված շերտում, որի հաստությունը կախված է համակարգի հատկություններից և կազմից։ Ընդհանուր առմամբ, միցելը էլեկտրականորեն չեզոք է: Միցելի կառուցվածքը՝ կոլոիդային մասնիկ, ներկայացված է Նկար 1.1-ում:

Պոտենցիալ տարբերությունը պոտենցիալ որոշող իոնների և բոլոր հակաիոնների միջև կոչվում է թերմոդինամիկ φ պոտենցիալ։

Մասնիկների վրա լիցքը խանգարում է դրանց մոտենալուն, ինչը, մասնավորապես, որոշում է կայունությունը կոլոիդային համակարգ. Ընդհանուր առմամբ, կոլոիդային համակարգերի կայունությունը պայմանավորված է հատիկում լիցքի առկայությամբ, դիֆուզիոն շերտում և հիդրացիոն պատյանում։

Նկ.3.1. Միցելի կառուցվածքը. Նկ. 3.2. Կրկնակի էլեկտրական միացում

I - միցելի միջուկ; շերտը էլեկտրական դաշտում

II – կլանման շերտ; (I-II - հատիկ);

III - դիֆուզիոն շերտ;

IV - խոնավեցնող պատյան

Երբ մասնիկը շարժվում է ցրված համակարգում կամ երբ կիրառվում է էլեկտրական դաշտ, ցրված շերտի հակաիոնների մի մասը մնում է ցրված միջավայրում, և հատիկը ստանում է պոտենցիալ որոշող իոնների լիցքին համապատասխան լիցք։ Այսպիսով, ցրված միջավայրը և ցրված փուլը պարզվում է, որ հակառակ լիցքավորված են:

Հակառիոնների կլանման և ցրված շերտերի պոտենցիալ տարբերությունը կոչվում է էլեկտրակինետիկզ պոտենցիալ (նկ. 1.2):

Էլեկտրոկինետիկ պոտենցիալը էլեկտրական երկշերտի կարևորագույն պարամետրերից մեկն է։ Մեծություն ζ – պոտենցիալը սովորաբար միավոր է և տասնյակ միլիվոլտ՝ կախված ֆազային կազմից և էլեկտրոլիտի կոնցենտրացիայից: Որքան մեծ է արժեքը ζ– ներուժը, այնքան ավելի կայուն է մասնիկը:

Դիտարկենք կայունության թերմոդինամիկ և կինետիկ գործոնները ցրված համակարգեր:

· Էլեկտրաստատիկ կայունության գործակից. Ֆիզիկական կինետիկայի տեսանկյունից, մասնիկների մոլեկուլային ձգումը համակարգի կոագուլյացիայի (նրա ագրեգատիվ անկայունության) հիմնական պատճառն է։ Եթե ​​կոլոիդային մասնիկների վրա առաջացել է իոնային բնույթի կլանման շերտ, ապա երբ նմանատիպ լիցքավորված մասնիկները բավական մոտ են, առաջանում են էլեկտրաստատիկ վանող ուժեր։ Որքան հաստ է էլեկտրական կրկնակի շերտը, այնքան ավելի ինտենսիվ է առաջանում մասնիկների վանման ուժը, այնքան մեծ է էներգետիկ արգելքի բարձրությունը և այնքան քիչ հավանական է, որ մասնիկներն իրար կպչեն: Այսպիսով, կոլոիդային համակարգերի կայունությունը իոնային կայունացուցիչի առկայության դեպքում կախված է էլեկտրական կրկնակի շերտի հատկություններից:

· Լուծման կայունության գործոն. վանող ուժեր կարող են առաջանալ լուծույթի (հիդրատ) պատյանների կամ այսպես կոչված սահմանային փուլերի մոտեցող մասնիկների մակերևույթի առկայության պատճառով, որոնք բաղկացած են միայն դիսպերսիոն միջավայրի մոլեկուլներից և ունեն հատուկ. ֆիզիկական հատկություններ. Միցելի միջուկը ջրի մեջ անլուծելի է և, հետևաբար, չի խոնավացվում: Միջուկի մակերեսի վրա ներծծված իոնները և էլեկտրական կրկնակի շերտի հակաիոնները հիդրացվում են։ Դրա շնորհիվ միջուկի շուրջ ստեղծվում է իոնային հիդրատային թաղանթ։ Դրա հաստությունը կախված է էլեկտրական կրկնակի շերտի բաշխումից. որքան շատ իոններ լինեն ցրված շերտում, այնքան մեծ կլինի հիդրատացիոն պատյան հաստությունը:

· Կայունության էնտրոպիայի գործոնը.Այն առաջանում է կոլոիդային մասնիկների վրա ներծծված մակերեւութային ակտիվ նյութի մոլեկուլների հատվածների ջերմային շարժումից։ Երբ մասնիկները, որոնք ունեն մակերեւութային ակտիվ նյութի մոլեկուլների կլանման շերտեր կամ բարձր մոլեկուլային նյութեր, մոտենում են միմյանց, ադսորբցիոն շերտի էնտրոպիան խիստ նվազում է, ինչը կանխում է մասնիկների ագրեգացումը։

· Կառուցվածքային-մեխանիկական կայունության գործոն.Մակերեւութային ակտիվ նյութերի ադսորբցիոն-լուծման շերտերը կարող են ներկայացնել կառուցվածքային-մեխանիկական խոչընդոտ, որը թույլ չի տալիս մասնիկներին մոտենալ միմյանց: Հակառակ իոնային կայունացուցիչների պաշտպանիչ շերտերը, լինելով գելման, ունեն կառուցվածքի մածուցիկության և մեխանիկական ամրության բարձրացում:

· Հիդրոդինամիկ կայունության գործակից. Կոագուլյացիայի արագությունը կարող է նվազել միջավայրի մածուցիկության և ցրված փուլի և դիսպերսիոն միջավայրի խտության փոփոխությունների պատճառով:

· Շփոթեցնող գործոններառավել բնորոշ իրական համակարգերի համար: Որպես կանոն, ագրեգատիվ կայունությունը ապահովվում է միաժամանակ մի քանի գործոններով: Հատկապես բարձր կայունություն է նկատվում թերմոդինամիկ և կինետիկ գործոնների համակցված ազդեցության ներքո, երբ միջերեսային լարվածության նվազման հետ մեկտեղ հայտնվում են միջմասնիկային շերտերի կառուցվածքային և մեխանիկական հատկությունները։

Պետք է նկատի ունենալ, որ դիմադրության յուրաքանչյուր գործոն ունի դրա չեզոքացման հատուկ մեթոդ: Օրինակ, էլեկտրաստատիկ գործոնի ազդեցությունը զգալիորեն նվազում է, երբ համակարգ են ներմուծվում էլեկտրոլիտներ, որոնք սեղմում են էլեկտրական կրկնակի շերտը։

Լուծման գործոնով լուծույթը կարող է վերացվել ցրված փուլի մասնիկների լիոֆոբացման միջոցով՝ օգտագործելով համապատասխան նյութերի կլանումը: Կառուցվածքային-մեխանիկական գործոնի ազդեցությունը կարող է կրճատվել մասնիկների մակերեսի վրա առաձգական կառուցվածքային շերտերը հեղուկացնող և լուծող նյութերի օգնությամբ։

Համակարգի ապակայունացումը կարող է պայմանավորված լինել տարբեր պատճառներով, որոնցից շատերը հանգեցնում են ցրված շերտի սեղմման և, հետևաբար, ζ-ներուժի արժեքի նվազմանը: Ցրված շերտի սեղմումը նաև նվազեցնում է իոնների խոնավացման աստիճանը. իզոէլեկտրական վիճակում (ζ = 0, mV) միջուկի շուրջ խոնավացնող շերտը չափազանց բարակ է (10-10 մ) և չի պաշտպանում միցելները միմյանց կպչելուց: բախում, արդյունքում սկսվում է մասնիկների ագրեգացումը։

Կոլոիդային համակարգերի նստվածքային կայունությունը (SS) - ցրված համակարգի ունակությունը պահպանել մասնիկների միասնական բաշխումը ողջ ծավալով) որոշվում է կոլոիդային դիսպերսիաների Բրոունյան շարժումով և ցրված ֆազային մասնիկների դիֆուզիոնով:

Համակարգի նստվածքային կայունությունը կախված է երկու գործոնների գործողությունից, որոնք ուղղված են միմյանց հակառակ ուղղություններով՝ գրավիտացիա, որի ազդեցության տակ մասնիկները նստում են, և դիֆուզիոն, որի դեպքում մասնիկները հակված են հավասարաչափ բաշխվել ամբողջ ծավալով։ Արդյունքում առաջանում է մասնիկների հավասարակշռության դիֆուզիոն-նստվածքային բաշխում բարձրության երկայնքով՝ կախված դրանց չափից։

Դիֆուզիան դանդաղում է, քանի որ մասնիկների չափը մեծանում է: Բավականին բարձր աստիճանի մասնիկների ցրման դեպքում Բրոունյան շարժումը, ինչպես դիֆուզիոն շարժումը, հանգեցնում է կոնցենտրացիաների հավասարեցմանը ողջ ծավալով։ Որքան փոքր են մասնիկները, այնքան երկար ժամանակ է պահանջվում հավասարակշռություն հաստատելու համար:

Մասնիկների նստեցման արագությունը համաչափ է դրանց տրամագծի քառակուսու հետ։ Կոպիտ ցրված համակարգերում հավասարակշռության հասնելու արագությունը համեմատաբար բարձր է, և հավասարակշռությունը հաստատվում է մի քանի րոպեների կամ ժամերի ընթացքում: Նուրբ ցրված լուծույթներում այն ​​փոքր է, և տարիներ կամ նույնիսկ տասնյակ տարիներ են անցնում մինչև հավասարակշռության պահը։

Կոագուլյացիայի տեսակները

IN ժամանակակից տեսությունԴերյագինի, Լանդաուի, Վերվեյի, Օվերբեքի կողմից մշակված ցրված համակարգերի կոագուլյացիա (DLFO տեսություն), համակարգի կայունության աստիճանը որոշվում է մոլեկուլային և էլեկտրաստատիկ ուժերի հավասարակշռությունից։ Կոագուլյացիայի երկու տեսակ կա.

1) համակենտրոնացում,որի դեպքում մասնիկների կայունության կորուստը կապված է կրկնակի շերտի սեղմման հետ.

2) չեզոքացում (մակարդում էլեկտրոլիտներով),երբ կրկնակի շերտի սեղմման հետ մեկտեղ φ 1 պոտենցիալը նվազում է:

Համակենտրոնացման կոագուլյացիան բնորոշ է բարձր լիցքավորված մասնիկներին բարձր խտացված էլեկտրոլիտային լուծույթներում: Որքան բարձր է DEL-ի φ 1 պոտենցիալը, այնքան ավելի ուժեղ հակաիոնները ձգվում են դեպի մասնիկների մակերեսը, և դրանց առկայությունը արգելակում է էլեկտրական դաշտի աճը: Հետևաբար, φ 1-ի բարձր արժեքների դեպքում մասնիկների միջև էլեկտրաստատիկ վանման ուժերը չեն աճում անորոշ ժամանակով, այլ հակված են որոշակի վերջավոր սահմանի: Այս սահմանը հասնում է, երբ φ 1-ը 250-ից ավելի է մվ.Այստեղից հետևում է, որ բարձր φ 1 պոտենցիալ ունեցող մասնիկների փոխազդեցությունը կախված չէ այս պոտենցիալի արժեքից, այլ որոշվում է միայն հակաիոնների կոնցենտրացիայով և լիցքով։

Քանի որ էլեկտրոլիտի կոնցենտրացիան մեծանում է, արժեքը ζ – պոտենցիալը (DP) նվազում է, իսկ φ 1 գործնականում պահպանում է իր արժեքը (նկ. 3.3):

Համակարգի ագրեգատիվ կայունությունը/անկայունությունը կախված է մասնիկների շփման հնարավորությունից. Որպեսզի մասնիկները միմյանց կպչեն, նրանք պետք է մոտենան միմյանց որոշակի հեռավորության վրա։ Ագրեգատիվ կայունության տեսության մեջ, որը հայտնի է որպես DLFO տեսություն(տեսության հեղինակների անունների առաջին տառերը. Բ.Վ. Դերյագին և Լ.Դ. Լանդաու, Ռուսաստան և Է. Վերվեյ և Ջ.Տ. Օվերբեկ, Հոլանդիա), համարվում է. գրավիչ և վանող ուժերի համատեղ գործողությունմասնիկների միջև։

Պատմական էքսկուրսիա

Բորիս Վլադիմիրովիչ Դերյագինը ականավոր գիտնական է, ով անգնահատելի ներդրում է ունեցել կոլոիդների քիմիայի գրեթե բոլոր հատվածներում: Ուսումնասիրելով կավե կախույթների հատկությունները՝ նա պարզեց, որ ջրի բարակ շերտերը կախոցի առանձին մասնիկների միջև ունեն տարբեր հատկություններ, որոնք տարբերվում են մեծ մասի ջրի հատկություններից, այդ թվում՝ անջատող ճնշումը, որը թույլ չի տալիս մասնիկներին մոտենալ միմյանց: Ներգրավման և վանման ուժերի համատեղ դիտարկումը բացատրում էր համակարգի կայունությունը։ Այս ուսումնասիրությունները, քանակական հաշվարկների և կայունության չափանիշների նույնականացման հետ մեկտեղ, հրապարակվել են Բ.Վ.Դերյագինի կողմից Լև Դավիդովիչ Լանդաուի հետ միասին մի քանի գիտական ​​հոդվածներ 1935-1941 թթ. Արտերկրում այդ աշխատանքների մասին շատ ավելի ուշ են իմացել։

Հոլանդացի գիտնականներ Է.Վերվին և Ջ.Տ. Օվերբեկը նաև հետազոտություն է անցկացրել այս ոլորտում։ Է.Վերվեյը պաշտպանել է իր ատենախոսությունը 1934 թվականին էլեկտրական երկշերտի և լիոֆոբ կոլոիդների կայունության ուսումնասիրության վերաբերյալ։ Ավելի ուշ նա հրապարակեց մի շարք հոդվածներ, որոնք ուսումնասիրում էին էլեկտրական ուժերի և լոնդոնյան վան դեր Վալսյան ուժերի գործողությունը էլեկտրոլիտային լուծույթում կոլոիդային մասնիկների միջև։ Իսկ 1948 թվականին Օվերբեքի հետ համատեղ լույս է տեսել նրա «Լիոֆոբ կոլոիդների կայունության տեսություն» մենագրությունը։

Տեսության ստեղծման հետ կապված գիտական ​​առաջնահերթության հարցը լուծվեց բոլոր չորս հեղինակների արժանիքների ճանաչմամբ։

Ներգրավման ուժեր -դրանք միջմոլեկուլային փոխազդեցության ուժերն են (Լոնդոն - վան դեր Վալսի ուժեր): Առանձին ատոմների միջև առաջացող գրավիչ ուժերը դրսևորվում են շատ փոքր հեռավորությունների վրա՝ ըստ ատոմների չափերի: Երբ մասնիկները փոխազդում են, դիսպերսիոն ուժերի հավելյալության պատճառով, մասնիկների միջև ձգողականությունը դրսևորվում է շատ ավելի մեծ հեռավորությունների վրա: Ներգրավման էներգիան հակադարձ համեմատական ​​է մասնիկների միջև հեռավորության քառակուսուն.

վանող ուժերմասնիկների միջև էլեկտրաստատիկ բնույթ ունեն: Էլեկտրաստատիկ վանման էներգիան, որն առաջանում է, երբ ցրված շերտերը համընկնում են, երկրաչափական չափով նվազում է հեռավորության մեծացման հետ.

Ներգրավման և վանման էներգիաների վերը նշված բանաձևերում Ա* - Gamaxra հաստատուն; X -հեռավորությունը մասնիկների միջև; e-ը ցրման միջավայրի դիէլեկտրական հաստատունն է. e° = 8,85 K) 12 F/m - էլեկտրական հաստատուն; (p^-ը ցրված շերտի պոտենցիալն է, A.-ն կրկնակի էլեկտրական շերտի (DEL) ցրված շերտի հաստությունն է։

DES-ի կառուցվածքի, ներառյալ կլանման և ցրված շերտերի մասին լրացուցիչ մանրամասների համար տե՛ս պարագրաֆ 4.3:

Ներգրավման էներգիային նշանակվում է մինուս նշան, վանման էներգիային՝ գումարած նշան։ Ներգրավման և վանման էներգիաները DLVO տեսության մեջ դիտարկվում են որպես մասնիկների միջև տարանջատող ճնշման բաղադրիչներ։ Ներգրավման և վանման էներգիաների ազդեցությունը կախված մասնիկների միջև եղած հեռավորությունից ներկայացված է Նկ. 4.2.

Բրինձ. 4.2.

Ստացված ընդհանուր էներգիայի կորի մեջ Նկ. 4.2, կարելի է առանձնացնել երեք բաժին.

Հողամաս ա.Կոլոիդային մասնիկների միջև փոքր հեռավորությունների վրա (մինչև 100 նմ) ​​գերակշռում են գրավիչ ուժերը, և առաջանում է էներգիայի աղբյուր կամ մոտ էներգիայի նվազագույնը։ Եթե ​​մասնիկները մոտենան նման հեռավորությանը, ապա մակարդումը տեղի կունենա գրավիչ ուժերի ազդեցությամբ։ Կոագուլյացիան նման դեպքերում անշրջելի է։

Հողամաս բ.Միջին հեռավորությունների վրա էլեկտրաստատիկ վանող ուժերը ավելի մեծ են, քան միջմոլեկուլային ներգրավման ուժերը, առաջանում է էներգիայի առավելագույնը՝ պոտենցիալ արգելք, որը թույլ չի տալիս մասնիկներին կպչել իրար. պատնեշի բարձրությունը կախված է մակերեսային լիցքից և ցրված շերտի հաստությունից:

Եթե ​​պոտենցիալ արգելքը բարձր է, և մասնիկները չեն կարողանում հաղթահարել այն, ապա կոագուլյացիա չի առաջանում։ Արգելքը հաղթահարելու ունակությունը որոշվում է դրա նվազմամբ (մակերևութային լիցքի և մասնիկների միջև վանող ուժերի նվազմամբ, օրինակ՝ էլեկտրոլիտի ազդեցության դեպքում) կամ մասնիկների էներգիայի ավելացմամբ (տաքացում):

Էլեկտրոլիտների ազդեցությունը էլեկտրական կրկնակի շերտի կառուցվածքի վրա քննարկվում է 4.3.3 ենթաբաժնում:

Այնուհետև գրավիչ ուժերի ազդեցությամբ մասնիկները մոտենում են իրար, և տեղի է ունենում կոագուլյացիա։ Եթե ​​մասնիկները չեն կարողանում հաղթահարել արգելքը, ապա կոագուլյացիա չի առաջանում, և համակարգը կարող է երկար ժամանակ պահպանել ագրեգատիվ կայունությունը։

Հողամաս գ.Համեմատաբար մեծ հեռավորությունների վրա (մոտ 1000 նմ) ​​գերակշռում են նաև գրավիչ ուժերը՝ ձևավորելով այսպես կոչված. շատ նվազագույն.Հեռավոր նվազագույնի խորությունը անհատական ​​է յուրաքանչյուր համակարգի համար: Աննշան հեռավոր նվազագույնի դեպքում մասնիկների մոտենալը կանխվում է պոտենցիալ արգելքով:

Եթե ​​հեռավոր նվազագույնը բավականաչափ խորն է, ապա մասնիկները մոտենալիս չեն կարող լքել պոտենցիալ ջրհորը և մնալ հավասարակշռության վիճակում՝ միմյանցից համապատասխան հեռավորության վրա՝ պահպանելով իրենց անհատականությունը։

Բարձր պոտենցիալ արգելքի առկայությունը թույլ չի տալիս մասնիկներին մոտենալ միմյանց, նրանց միջև մնում է հեղուկի շերտ: Համակարգը, որպես ամբողջություն, պահպանում է ցրվածությունը՝ ներկայացնելով չամրացված նստվածք՝ կոագուլանտ կամ ֆլոկուլանտ: Այս վիճակը համապատասխանում է կոագուլյացիայի հետադարձելիությանը. հնարավոր է համակարգը տեղափոխել sol վիճակի (peptization):

« Պեպտիզացիան ցրված համակարգերի ստացման մեթոդներից մեկն է, տես պարագրաֆ 2.4:

Ցրված փուլի բարձր կոնցենտրացիայի դեպքում կարող է ձևավորվել կառուցվածքային համակարգ՝ գել։

Կառուցվածքային համակարգերի առանձնահատկությունները ավելի մանրամասն քննարկվում են Բաժին 9.4-ում:

Ամփոփում

Համակարգի ագրեգատիվ կայունություն (կոագուլյացիայի դիմադրություն) մեծապես որոշվում է ներկայությամբ էլեկտրական լիցքավորումմակերեսի վրա.

• Vetvey E. J., Overbeek J. Th. G. Լյոֆոբ կոլոիդների կայունության տեսություն. N.Y.: Elsevier, 1948:

Մագնիսական հեղուկ, որը ներառում է բարձր ցրված մագնիսական նյութեր (երկաթ, կոբալտ, մագնետիտ, ֆերիտներ և այլն) 50-200 E մասնիկների չափով որպես ցրված փուլ, հեղուկ ածխաջրածիններ, սիլիկոն և հանքային յուղեր, ջուր, ֆտորօրգանական՝ որպես ցրման միջավայր։ միացությունները և այլն, կարող են դասակարգվել որպես կոլոիդային լուծույթներ կամ լուծույթներ:

Կոլոիդային համակարգերի կայունությունը կոլոիդային քիմիայի կենտրոնական խնդիրն է, և դրա լուծումը մեծ գործնական նշանակություն ունի երկրաբանության, գյուղատնտեսության, կենսաբանության և տեխնիկայի մեջ։ Օգտագործելով ժամանակակից կայունության տեսության հիմնական հասկացությունները՝ համառոտ դիտարկենք մագնիսական հեղուկների կայունության պայմանները։

Անհրաժեշտ է տարբերակել ագրեգատիվ կայունությունը, այսինքն՝ մասնիկների դիմադրությունը ագրեգացման և նստվածքային կայունություն՝ դիմադրություն գրավիտացիոն մագնիսական և էլեկտրական դաշտերի, կենտրոնախույս ուժերի և այլնի ազդեցությանը։

Նստվածքը բաղկացած է ցրված փուլի մասնիկների ազատ նստվածքից՝ ծանրության ազդեցության տակ, որի արդյունքում ցրված մասնիկների կոնցենտրացիան ցրված միջավայրի ծավալում փոխվում է՝ կախված շերտի բարձրությունից, տեղի է ունենում համակարգի շերտավորում և բարձր խտացված նստվածքի առաջացում. Մասնիկների ազատ նստվածքը մի կողմից կանխվում է դիսպերսիոն միջավայրի մածուցիկ դիմադրության ուժով (Stokes force), իսկ մյուս կողմից՝ մասնիկների դիֆուզիոն շարժումով, բայց այս դեպքում մասնիկի չափը պետք է լինի այնքան փոքր, ապահովել դրանց Բրոունյան ջերմային շարժումը: Նստվածքի կայունության պայմանն այն է, որ նստվածքի արագությունը ցածր է Բրոունյան շարժման արագության համեմատ: Մասնավորապես, կերոսինի, ջրի և հանքային յուղի հիման վրա մագնիսական հեղուկների համար, օգտագործելով մագնիտիտը որպես ֆերոֆազ, ստացվել են համապատասխանաբար հետևյալ արժեքները. առավելագույն չափսերմասնիկներ՝ d = 8·10 -6 մ, d = 7·10 -6 մ և d = 20·10 -6 մ:

Կոլոիդային համակարգերի ագրեգատիվ կայունությունը որոշվում է մասնիկների միջև վանող և գրավիչ ուժերի հավասարակշռությամբ։ Գրավիչ ուժերը լոնդոնյան ուժերն են, իսկ վանող ուժերը ներառում են էլեկտրաստատիկ կամ ստերիկ վանման ուժերը։

Դա պայմանավորված է նրանով, որ իրենց փոքր չափերի պատճառով կոլոիդային մասնիկները մեկ տիրույթ են և ունեն իրենց մագնիսական մոմենտը։ Մագնիսական մասնիկների փոխազդեցությունը հանգեցնում է ագրեգատների մեջ դրանց կպչունությանը, ինչը, ի վերջո, հանգեցնում է մագնիսական մասնիկների նստվածքի: Բացի այդ, երբ մասնիկները մոտենում են միմյանց, առաջանում են լոնդոնյան ուժեր, որոնք նույնպես հանգեցնում են մասնիկների իրար կպչուն։ Մասնիկների կոագուլյացիայի կանխարգելման համար դրանց մակերեսը պատված է երկար, շղթայական մակերևութային ակտիվ նյութի մոլեկուլների շերտով։ PAB մոլեկուլների կեղևը թույլ չի տալիս մասնիկներին մոտենալ միմյանց, քանի որ երբ այն սեղմվում է, առաջանում են վանող ուժեր։ Եվ վերջապես, մասնիկների միջև գործում են էլեկտրաստատիկ ուժեր, որոնք առաջանում են մասնիկները շրջապատող կրկնակի էլեկտրական շերտերի փոխազդեցությունից: Մասնիկների ագրեգացման և կոագուլյացիայի դիմադրությունը որոշում է կոլոիդային համակարգերի ագրեգատիվ կայունությունը և կախված է ֆերոմագնիսական մասնիկների միջև գործող ուժերի հավասարակշռությունից՝ գրավիչ ուժերից (վան դեր Վալսի ուժեր, դիպոլ-դիպոլ փոխազդեցություն և մագնիսական ուժեր) և վանող ուժերի (էլեկտրական ուժեր) և ստերիկ բնույթ): Վերոնշյալ ուժերի բնույթն ու ինտենսիվությունը մանրամասն քննարկվել են մի շարք աշխատություններում։

Էլեկտրաստատիկ վանումը պայմանավորված է հեղուկ միջավայրում ցրված մասնիկների մակերեսի վրա իոններից բաղկացած կրկնակի էլեկտրական շերտերի առկայությամբ։

Քանի որ հեղուկները, որոնք մենք դիտարկում ենք, կոլոիդային համակարգեր են, նրանց համար կգործեն կոլոիդային քիմիայի օրենքները: Կարևոր հատկանիշև մագնիսական հեղուկների (ՄՖ) և սովորական կոլոիդ համակարգերի հիմնական տարբերությունը մագնիսական հատկությունների առկայությունն է: Եվ հետևաբար, բացի մասնիկների միջև փոխազդեցության հիմնական ուժերից (Լոնդոնի ձգողական ուժեր, էլեկտրաստատիկ և ստերիկ վանող ուժեր), անհրաժեշտ է նաև հաշվի առնել մագնիսական փոխազդեցության ուժերը։ Այդ ուժերի հավասարակշռությունը կամ վանող ուժերի գերակշռությունը կապահովի կոլոիդային համակարգի կայունությունը։ Կայունությունը մագնիսական հեղուկների կարևորագույն բնութագրիչներից է և մեծապես որոշում է դրանց հաջող օգտագործման հնարավորությունը։ Կայունությունը հասկացվում է որպես մագնիսական հեղուկների մասնիկների՝ որոշակի ժամանակահատվածում չհավաքվելու և իրենց ֆիզիկական, քիմիական և մագնիսական հատկությունները չպահպանելու ունակությունը: Ավելին, այս անգամ, ինչպես ցանկացած կոլոիդային համակարգի դեպքում, առաջին հերթին կախված կլինի ցրման փուլի մասնիկների չափից. քիմիական բաղադրությունըև կոլոիդի ֆիզիկական բնութագրերը, արտաքին պայմաններ(օրինակ՝ ջերմաստիճան, մեծություն մագնիսական դաշտըև այլն) և կարող է տատանվել մի քանի վայրկյանից մինչև մի քանի տարի:

Կոլոիդում մագնիսական մասնիկները, իրենց փոքր չափերի պատճառով, միատարր և գերմագնիսական են, այսինքն՝ ամբողջությամբ մագնիսացված են մեկ ուղղությամբ և դրանց մագնիսական փոխազդեցությունը կարելի է մոտավորապես բնութագրել որպես կետային դիպոլների փոխազդեցություն։

Երկար շղթայական մոլեկուլների շերտով պատված մասնիկների միջև, երբ դրանք շփվում են, առաջանում է վանող ուժ, որը կոչվում է ստերիկ։ Ստերային վանումն առաջանում է երկար պոլիմերային մոլեկուլների (մակերևութային ակտիվ նյութերի) տեղական կոնցենտրացիայի ավելացման պատճառով կլանման շերտերի հատման տարածքում (օսմոտիկ ազդեցություն):

Որպեսզի մագնիսական մասնիկների վրա ադսորբցիոն շերտը չքանդվի, անհրաժեշտ է, որ ստերիկ վանման ուժերը գերազանցեն դիպոլ-դիպոլ փոխազդեցության ուժերին։

Այնուամենայնիվ, ադսորբցիոն շերտի բավարար ուժը դեռ չի նշանակում կոագուլյացիայի բացակայություն, քանի որ 2d կլանման շերտով առանձնացված երկու մասնիկները կարող են իրար հետ պահել մագնիսական ձգողականության ուժերով: Նման ագլոմերատը կարող է ոչնչացվել մասնիկների ջերմային շարժմամբ։ Քանի որ մասնիկների միջև հեռավորությունը մեծանում է լուծողական շերտի հաստության աճով, դիպոլ-դիպոլ փոխազդեցության էներգիան նվազում է և, հետևաբար, ազդեցությունը մեծանում է: ջերմային շարժումմասնիկներ՝ դրանց ագրեգացման համար։

Լուծման թաղանթի հաստությունը, որը կանխում է մասնիկների ագրեգացումը՝ հաշվի առնելով դրանց ջերմային էներգիան և դիպոլ-դիպոլ փոխազդեցությունը, կախված է ջերմաստիճանից, մասնիկների չափից և դրանց մագնիսական բնութագրերից։ Մասնավորապես, սենյակային ջերմաստիճանում մագնիսական մագնիտիտի մասնիկների համար.

d-ը մակերեսային ակտիվ նյութի մոլեկուլների երկարությունն է:

Եթե ​​օլեինաթթուն (d = 20?) օգտագործվում է որպես մագնետիտի մասնիկների մակերեսային ակտիվ նյութ, ապա պայմանը d cr.<<д говорит о том, что в этом случае от коагуляции будут защищены частицы, диаметр которых существенно меньше 190Е. С другой стороны, очень малые частицы (10-20Е) теряют свои магнитные свойства вследствие малости энергии обменного взаимодействия по сравнению с тепловой энергией. Поэтому наиболее приемлемым, с точки зрения агрегативной устойчивости, является размер частиц магнетита 40-160Е, а применение поверхностно-активных веществ с большей, чем у олеиновой кислоты, длиной молекул, обеспечит стабилизацию более крупных частиц магнетита.

Այսպիսով, MF-ի կայունությունը որոշվում է ցրված փուլի մասնիկների միջև բոլոր հնարավոր փոխազդեցության գործոնների հավասարակշռությամբ (միջմոլեկուլային, մագնիսական, կառուցվածքային-մեխանիկական և բևեռային միջավայրերի համար՝ էլեկտրաստատիկ): Եթե ​​վանող ուժերը գերակշռում են գրավիչ ուժերին, ապա համակարգը գտնվում է կայուն վիճակում: Հակառակ դեպքում համակարգը ձգտում է ոչնչացնել կոլոիդային կառուցվածքը։

Այսպիսով, մագնիսական հեղուկի վարքագիծը կարելի է կանխատեսել՝ վանող էներգիան (էլեկտրոստատիկ բևեռային միջավայրերի համար և մակերեսային ակտիվ նյութերի պատճառով) մագնիսական և միջմոլեկուլային ձգողության էներգիայի հետ գումարելով։ Դրական հավելման արդյունքը վկայում է վանող ուժերի գերակշռության մասին, որից կարելի է եզրակացնել, որ համակարգը կայուն է։ Բացասական արդյունքը հուշում է, որ համակարգը կինետիկորեն անկայուն է: Ելնելով վերը նշվածից՝ մենք կարող ենք եզրակացնել, որ MF-ի կոլոիդային լուծույթի ամենաօպտիմալ տարբերակը հետևյալ համակարգն է. 50-200 E չափի մագնիսական մասնիկներ, ծածկված մակերեսային ակտիվ նյութով և բաշխված հեղուկ միջավայրում՝ զերծ ցածր մոլեկուլային միջավայրում: քաշի էլեկտրոլիտներ. Հենց այս դեպքում է, որ էլեկտրաստատիկ վանման ուժերը նվազագույն են, միջմոլեկուլային և մագնիսական ձգողականության ուժերը նվազագույն են, և կառուցվածքային-մեխանիկական գործոնը ամենաարդյունավետ կերպով կայունացնում է համակարգը, և MF-ն որպես ամբողջություն, հետևաբար, ամենակայուն կոլոիդային համակարգը ժամանակի, տարածության, գրավիտացիոն և էլեկտրամագնիսական դաշտերում:

tion, մինչդեռ մոլեկուլային համակարգերը որոշված ​​են

3. ԿՈԼՈԻԴԱՅԻՆ ՀԱՄԱԿԱՐԳԵՐԻ ՀԵԵՐՈՍԵՆՈՒԹՅՈՒՆԸ ՈՐՊԵՍ ՀԻՄՆԱԿԱՆ ՏԱՐԲԵՐՈՒԹՅՈՒՆ ՄՈԼԵԿՈՒԼԱՅԻՆ ԼՈՒԾՈՒՄՆԵՐԻՑ.

Մենք արդեն ասել ենք, որ ագրեգատիվ անկայունությունը կոլոիդային համակարգերի սպեցիֆիկ հատկանիշն է։ Կոլոիդ համակարգերի այս հատկությունը մեծ գործնական նշանակություն ունի։ Չափազանցություն չի լինի ասել, որ արտադրական գործընթացի տեխնոլոգի հիմնական խնդիրը, որում տեղի են ունենում կոլոիդային համակարգեր, կա՛մ համակարգի ագրեգատիվ կայունության պահպանումն է, կա՛մ, ընդհակառակը, մակարդման հայտնի պայմանների ապահովումը։

Ագրեգատիվ անկայունությունը կոլոիդային քիմիայի կենտրոնական խնդիրն է, և արդեն դասընթացի սկզբում անհրաժեշտ է դիտարկել, թեկուզ ամենաընդհանուր ձևով, թե ինչ պատճառներով է պայմանավորված կոլոիդային համակարգերի ագրեգատիվ անկայունությունը և ինչու են շատ կոլոիդային համակարգեր, չնայած դրանց հիմնարար ագրեգատիվ անկայունություն, գոյություն ունի շատ երկար ժամանակ: Կոլոիդային համակարգերի անկայունության պատճառները կարելի է բացատրել երկու տեսանկյունից՝ թերմոդինամիկական և կինետիկ։

Համաձայն թերմոդինամիկայի՝ կոլոիդային համակարգերի ագրեգատիվ անկայունությունը պայմանավորված է համակարգի միջֆազային մակերեսի վրա կենտրոնացած բավական մեծ և միշտ դրական ազատ մակերևույթի էներգիայով։ Քանի որ մակերևութային էներգիան ներկայացնում է ազատ էներգիա, և քանի որ ավելորդ ազատ էներգիա ունեցող բոլոր համակարգերն անկայուն են, սա որոշում է կոլոիդային համակարգերի կոագուլյացիայի ունակությունը: Կոագուլյացիայի ժամանակ մասնիկները կպչում են իրար, և միջերեսային մակերեսը գոնե մասամբ անհետանում է, և այդպիսով համակարգի ազատ էներգիան նվազում է։ Այնուամենայնիվ, Սմոլուչովսկին և վերջերս Գ. Ա. Մարտինովը ուշադրություն հրավիրեցին այն փաստի վրա, որ համակարգի ազատ էներգիան նվազեցնելու համար անհրաժեշտ չէ մասնիկների անմիջական շփումը: Ազատ էներգիան կարող է նաև նվազել, երբ մասնիկները անմիջական շփման մեջ չեն մտնում, այլ մոտենում են միայն որոշակի հեռավորության վրա՝ թույլ տալով նրանց փոխազդել իրենց միջավայրը բաժանող շերտի միջով:

Փաստորեն, թող

որտեղ F-ն ամբողջ համակարգի ազատ մակերևութային էներգիան է. st, % - միջերեսային մակերես; f - հատուկ ազատ մակերեսային էներգիա.

F մեծությունը միջերեսային մակերևույթի էներգիայի գումարն է, որը որոշվում է միաշերտի վիճակով փուլային սահմանին, և ազատ էներգիայի fv մակերեսին մոտ, այսինքն՝ f = fa+ fv։ Ծավալ-մակերևույթի ներդրումը fv պայմանավորված է փուլային միջերեսի մոտ գտնվող հեղուկ շերտերի վիճակի փոփոխությամբ: Չնայած այն հանգամանքին, որ ընդհանուր առմամբ fa^fv համակարգի կայունությունը «շատ դեպքերում կապված է հենց fv-ի փոփոխության հետ, քանի որ պինդ մասնիկներից ագրեգատների ձևավորման ժամանակ ֆազային սահմանը սովորաբար չի անհետանում։ Հետևաբար, կոագուլյացիայի ժամանակ, /a-ի արժեքը գործնականում մնում է հաստատուն, բայց fv-ը փոխվում է, և փոփոխության աստիճանը կախված է մասնիկների միջև հեռավորության նվազումից: Իհարկե, այս ամենը չի վերաբերում էմուլսիաներին, որտեղ տեղի է ունենում միաձուլում, այսինքն՝ միաձուլում: մասնիկներ՝ ի սկզբանե մասնիկները բաժանող միջֆազային մակերեսի ամբողջական վերացումով։

Քանի որ կոլոիդային համակարգերը, որոնք ունեն մեծ հատուկ մակերես և բարձր ազատ էներգիա, սկզբունքորեն անհավասարակշիռ համակարգեր են, հայտնի փուլային կանոնը կիրառելի չէ նրանց համար: Նման համակարգերն ակնհայտորեն միշտ հակված են հավասարակշռության վիճակի, որը համապատասխանում է համակարգի բաժանմանը երկու շարունակական փուլերի՝ նվազագույն միջֆազային մակերեսով, թեև այդ հավասարակշռությունը գործնականում երբեք չի կարող լինել: Կոլոիդային համակարգերի կայունության կամ անկայունության պատճառների թերմոդինամիկական մեկնաբանությունը չափազանց պարզ է։ Այնուամենայնիվ, ինչպես ցանկացած թերմոդինամիկ մեկնաբանություն, այս բացատրությունը ձևական է, այսինքն, այն չի բացահայտում ագրեգատիվ անկայունության հատկության էությունը: Բացի այդ, թերմոդինամիկան կապ չի հաստատում համակարգի ազատ էներգիայի և որքան ժամանակ համակարգը կարող է մնալ ոչ հավասարակշռված վիճակում: Հետևաբար, այս դեպքում ավելի ամբողջական բացատրությունը կոլոիդային համակարգերի ագրեգատիվ անկայունության կամ կայունության բացատրությունն է ֆիզիկական կինետիկայի տեսանկյունից։

Համաձայն կինետիկ հասկացությունների՝ կոլոիդային կամ միկրոհետերոգեն համակարգի անկայունությունը կամ կայունությունը որոշվում է նրա առանձին մասնիկների միջև գործող ուժերի հարաբերակցությամբ։ Այս ուժերը ներառում են երկու տեսակի ուժեր՝ համակցված ուժեր կամ ձգողական ուժեր, որոնք հակված են միավորել մասնիկները և դրանցից ագրեգատ կազմել, և վանող ուժեր, որոնք կանխում են կոագուլյացիա։

Համախմբման ուժերը սովորաբար ունեն նույն բնույթը, ինչ միջմոլեկուլային (վան դեր Վալս) ուժերը։ Կարևոր է, որ մասնիկների միջև գործող ուժերը շատ արագ աճեն, երբ մասնիկները մոտենում են միմյանց:

Վատող ուժերը կարող են լինել էլեկտրական ուժեր, որոնք առաջանում են համակարգում առկա էլեկտրոլիտային իոններից մեկի միջերեսային մակերեսի կողմից ընտրովի կլանման արդյունքում: Քանի որ ցրված փուլի մասնիկները բնույթով նույնական են և միշտ կլանում են որոշակի իոն, նրանք բոլորը ձեռք են բերում նույն նշանի էլեկտրական լիցք և փոխադարձ վանում են զգում, ինչը խանգարում է նրանց մոտենալ այնպիսի հեռավորությունների, որտեղ արդեն կարող են գործել շատ զգալի ձգողական ուժեր: Մեկ այլ պատճառ, որը խոչընդոտում է կոլոիդային մասնիկների կոնվերգենցիան այն հեռավորություններին, որոնց վրա սկսում են գերակշռել սոսնձման ուժերը, կարող է լինել միջին մոլեկուլների լուծույթի կեղևի ձևավորումը մասնիկների մակերեսին: Նման շերտը առաջանում է համակարգի երրորդ բաղադրիչի (կայունացնողի) կա՛մ միջին մոլեկուլների, կա՛մ մոլեկուլների կամ իոնների ցրված փուլի կողմից կլանման արդյունքում: Բացի այս երկու գործոններից, կան նաև այլ գործոններ, որոնք ապահովում են կոլոիդային համակարգերի ագրեգատի կայունությունը: Բոլոր կայունության գործոնները մանրամասն քննարկված են գլխում: IX.

Այսպիսով, կոլոիդային համակարգի հարաբերական կայունությունը որոշվում է նրանով, թե արդյոք վանող ուժերը բավականաչափ ուժեղ են, որպեսզի կանխեն մասնիկների մոտ հեռավորություններին մոտենալը։ Հասկանալի է, որ նման բացատրությունը չի հակասում կոլոիդային համակարգերի ճնշող մեծամասնության հիմնարար անկայունությանը, քանի որ երբ մասնիկների մակերեսները մոտ են, կպչողական ուժերը, որպես կանոն, ավելի մեծ են, քան վանող ուժերը, և դա սովորաբար Էներգետիկորեն ավելի բարենպաստ է երկու առանձին մասնիկների ագրեգատի ձևավորման համար: Հետագայում կտեսնենք, որ վանող ուժերը նվազեցնելու բազմաթիվ եղանակներ կան, և, մասնավորապես, այդ մեթոդներից մեկը էլեկտրոլիտների ներմուծումն է համակարգ։

4. ՃՆՇՄԱՆ ԲԱՑԱՀԱՅՏՈՒՄ*

* Գլխի այս բաժինը գրվել է Բ.Վ.Դերյագիի կողմից:

Երբ հեղուկի շերտը, որը բաժանում է երկու պինդ մարմինների մակերևույթները կամ, ընդհանրապես, ներծծված իոններ ունեցող ցանկացած երկու փուլ, ավելի բարակ է դառնում, այդ փուլերի մակերևույթների միջև առաջանում են երկու տեսակի փոխազդեցության ուժեր: Նախ, ուժերը, որոնք կախված են երկու մարմինների մոլեկուլների, հեղուկի մոլեկուլների և հեղուկի մոլեկուլների և յուրաքանչյուր մարմնի (կամ փուլի) միջև ձգողականությունից:

Եթե ​​երկու մարմիններն էլ նույնն են, ապա այդ ուժերը հանգեցնում են մարմինների միջև ձգողության, որը հակված է նոսրացնելու հեղուկի շերտը։ Երկրորդ, էլեկտրական բնույթի ուժերի գործողության արդյունքում միանման մարմինների միջև միշտ առաջանում է վանում՝ առաջացնելով հեղուկ շերտի խտացում։ Հետևաբար, որպեսզի շերտի հաստությունը չփոխվի, և համակարգը որպես ամբողջություն պահպանի իր

Դասախոսություն 5. Կոլոիդային համակարգերի կայունություն և կոագուլյացիա

Ցրված համակարգերի կայունության հայեցակարգը:

DS կայունության տեսակները.

Կոագուլյացիա.

Էլեկտրոլիտների ազդեցությունը կոագուլյացիայի վրա.

Էլեկտրոլիտների համակցված գործողություն կոագուլյացիայի ժամանակ:

DLFO կայունության տեսություն.

Կոագուլյացիայի մակարդակը.

Սոլերի ծերացումը. Կոլոիդային պաշտպանություն.

Ցրված համակարգերի կայունության հարցերը կենտրոնական տեղ են զբաղեցնում կոլոիդային քիմիայում, քանի որ այդ համակարգերը հիմնականում թերմոդինամիկորեն անկայուն են։

Համակարգի կայունությունը հասկացվում է որպես դրա վիճակի և հիմնական հատկությունների ժամանակի ընթացքում կայունություն. ցրված փուլի մասնիկների միասնական բաշխման ցրվածություն ցրված միջավայրի ծավալում և մասնիկների միջև փոխազդեցության բնույթը:

Ցրված համակարգի մասնիկները, մի կողմից, զգում են գրավիտացիայի գործողությունը. մյուս կողմից, դրանք ենթակա են դիֆուզիայի, որը հակված է հավասարեցնելու համակենտրոնացումը համակարգի բոլոր կետերում։ Երբ այս երկու ուժերի միջև հավասարակշռություն է տեղի ունենում, ցրված փուլի մասնիկները գտնվում են Երկրի մակերեսի համեմատ որոշակի ձևով:

Ն.Պ.-ի առաջարկով. Պեսկով (1920), ցրված համակարգերի կայունությունը բաժանված է երկու տեսակի.

- կինետիկ(նստվածքի) կայունություն - ցրված մասնիկների հատկություն, որը պետք է պահվի կասեցված վիճակում, առանց նստվածքի (մասնիկների դիմադրություն ձգողականությանը):

(կայունության պայմաններ – մասնիկների բարձր դիսպերսիա, ցրված ֆազային մասնիկների մասնակցություն Բրոունյան շարժմանը);

- ագրեգատիվկայունություն - ցրված փուլային մասնիկների ունակությունը դիմակայելու միմյանց կպչուն (ագրեգացման) և դրանով իսկ պահպանելու այս փուլի ցրվածության որոշակի աստիճանը որպես ամբողջություն:

Դիսպերս համակարգերը ըստ իրենց կայունության բաժանվում են երկու դասի.

թերմոդինամիկորեն կայուն (լիոֆիլ կոլոիդներ);

Թերմոդինամիկորեն անկայուն (լիոֆոբ համակարգեր):

Առաջինները ինքնաբերաբար ցրվում են և գոյություն ունեն առանց կայունացուցիչի: Դրանք ներառում են մակերեւութային լուծույթներ և ներարգանդային պարույրային լուծույթներ:

Թերմոդինամիկորեն կայուն համակարգի Գիբսի ազատ էներգիան նվազում է (DG<0).

Թերմոդինամիկորեն անկայուն համակարգերը ներառում են լուծույթներ, կախոցներ, էմուլսիաներ (DG>0):

Վերջերս կա նաև տարբերակում խտացման դիմադրությունՀամակարգը ձևավորում է փխրուն ագրեգատներ (ֆլոկուլներ) կամ չամրացված նստվածքներ. մասնիկները կորցնում են իրենց անհատական ​​շարժունակությունը, բայց մնում են այդպիսին երկար ժամանակ:

Կոագուլյացիա

Լյոֆոբ կոլոիդները թերմոդինամիկորեն անկայուն համակարգեր են, որոնք գոյություն ունեն կայունացման շնորհիվ՝ պաշտպանիչ իոնային կամ մոլեկուլային շերտերի առաջացման պատճառով։ Հետևաբար, այս շերտերի վիճակի փոփոխությունը կարող է հանգեցնել կայունության կորստի և այնուհետև ցրված փուլի ազատմանը:

Կոագուլյացիա- կոլոիդային մասնիկների կպչման (միաձուլման) գործընթացը ավելի մեծ ագրեգատների ձևավորմամբ, կինետիկ կայունության հետագա կորստով:

Ընդհանուր իմաստով կոագուլյացիան հասկացվում է որպես ցրված համակարգի ագրեգատիվ կայունության կորուստ։

Կոագուլյացիայի լատենտային փուլը շատ արագ է ընթանում՝ մասնիկների չափը մեծանում է, բայց նստվածք չի ձևավորվում՝ գունաթափում, պղտորություն։

Ակնհայտ փուլը նստվածքի առաջացումն է, լուծույթում երկու փուլերի բաժանումը։ Նստվածքը կոչվում է կոագուլատ։

Կոագուլյացիայի վերջնական արդյունքը կարող է լինել երկու արդյունք՝ փուլային տարանջատում և ծավալային կառուցվածքի ձևավորում, որում դիսպերսիոն միջավայրը հավասարաչափ բաշխված է (համակարգի կենտրոնացում)։ Համաձայն կոագուլյացիայի երկու տարբեր արդյունքների՝ առանձնանում են նաև դրանց ուսումնասիրման մեթոդները (առաջին արդյունքի համար՝ օպտիկական, օրինակ, երկրորդի համար՝ ռեոլոգիական)։

Հիմնական գործընթացները, որոնք կարող են տեղի ունենալ ցրված համակարգերում, ներկայացված են Նկ. 5.1.

Դիագրամը ցույց է տալիս, որ կոագուլյացիայի հայեցակարգը ներառում է մի քանի գործընթացներ (ֆլոկուլյացիա, միաձուլում, ագրեգացիա, կառուցվածքի ձևավորում), որոնք տեղի են ունենում համակարգի հատուկ մակերեսի նվազմամբ:

Բրինձ. 5.1. Ցրված վիճակում տեղի ունեցող գործընթացներ

համակարգեր.

Կոագուլյացիայի պատճառը կարող է լինել տարբեր գործոններ.

Էլեկտրոլիտների ներդրում;

Ցրված համակարգը տաքացնելով կամ սառեցնելով;

Մեխանիկական ազդեցություն;

Բարձր հաճախականության թրթռումներ;

Ultracentrifugation եւ այլ գործոններ.

Ամենակարևորն ու ուսումնասիրվածը էլեկտրոլիտների ազդեցությունն է։

Էլեկտրոլիտների ազդեցությունը կոագուլյացիայի վրա

Ստեղծվել են էլեկտրոլիտների ազդեցության մի շարք էմպիրիկ օրինաչափություններ, որոնք հայտնի են որպես կոագուլյացիայի կանոններ.

1. Ցանկացած էլեկտրոլիտ կարող է առաջացնել կոագուլյացիա, սակայն դրանք նկատելի ազդեցություն են ունենում, երբ հասնում են որոշակի կոնցենտրացիայի։

Կոագուլյացիայի շեմը– մակարդում առաջացնող էլեկտրոլիտի նվազագույն կոնցենտրացիան (գ, մոլ/լ; երբեմն՝ C-ից մինչև):

Կոագուլյացիայի շեմը որոշվում է պղտորությամբ, գույնի փոփոխությամբ կամ ցրված փուլի նստվածքի բաժանման սկզբով։

2. Շուլցե-Հարդի կանոն (նշանակության կանոն, էմպիրիկ).

Կոագուլացնող ազդեցություն ունի էլեկտրոլիտի իոնը, որն ունի միցելի (հատիկներ) պոտենցիալ որոշող իոնների լիցքին հակառակ լիցքը, և որքան բարձր է լիցքը, այնքան ավելի ուժեղ է կոագուլացնող ազդեցությունը։

որտեղ K-ն կոագուլյացիայի ունակությունն է (եկեք այն վերցնենք որպես մեկ):

Շուլց-Հարդիի կանոնի համաձայն՝ 1, 2 և 3 լիցքերով հակաիոնների կոագուլյացիայի շեմային արժեքները կապված են 1:1/20:1/500, այսինքն. որքան բարձր է լիցքը, այնքան քիչ էլեկտրոլիտ է պահանջվում կոագուլյացիայի առաջացման համար:

Օրինակ, մենք կոագուլացնում ենք մկնդեղի սուլֆիդի sol (As 2 S 3) կամ Fe(OH) 2

Շուլցե–Հարդիի կանոնը մոտավոր է և նկարագրում է իոնների ազդեցությունը միայն անօրգանական միացություններում։

3. Օրգանական իոնների շարքում մակարդման էֆեկտը մեծանում է կլանման կարողությունների մեծացման հետ:

4. Նույն լիցք ունեցող անօրգանական իոնների շարքում դրանց մակարդման ակտիվությունը մեծանում է խոնավացման նվազմամբ։

Lyotropic շարքը կամ Hofmeister շարքը իոնների դասակարգումն է՝ ըստ նրանց խոնավացնելու (ջուրը կապելու) կարողության։

«Լյոտրոպիկ» բառը նշանակում է «հակվածություն դեպի հեղուկ» (ջրային միջավայրի դեպքում ավելի հարմար տերմինը հիդրոտրոպն է):

5. Շատ հաճախ կոագուլյացիայի սկիզբը համապատասխանում է զետա պոտենցիալի նվազմանը մինչև կրիտիկական արժեք (մոտ 0,03 Վ):

6. Էլեկտրոլիտներով կոագուլյացիայի ժամանակ ստացված նստվածքները միշտ պարունակում են իոններ, որոնք առաջացնում են կոագուլյացիա։

Էլեկտրոլիտների համակցված գործողություն

կոագուլյացիայի ժամանակ

Էլեկտրոլիտների խառնուրդները հազվադեպ են ինքնուրույն գործում լուծույթների կոագուլյացիայի ժամանակ։ Այս դեպքում նկատվող երևույթները կարելի է կրճատել հետևյալ երեքի. հավելում, անտագոնիզմ և սիներգիզմէլեկտրոլիտներ. Էլեկտրոլիտների խառնուրդներ օգտագործելիս նշված երևույթները ներկայացված են նկ. 5.2-ում:

Կախվածություն 1 – բնութագրում է էլեկտրոլիտների հավելումային ազդեցությունը: Խառնուրդում կոագուլացնող ազդեցությունը որոշվում է հավելման պարզ կանոնով.

KCl+KNO 3; NaCl+KCl

Կոր 2 – էլեկտրոլիտների անտագոնիզմ – խառնուրդում յուրաքանչյուր էլեկտրոլիտի պարունակությունը գերազանցում է իր սահմանային կոնցենտրացիան

Al(NO 3) 3 +K 2 SO 4; Ti(NO 3) 4 + Na 2 SO 4

Էլեկտրոլիտների գործողության սիներգիզմը ցուցադրվում է կորով 3: Էլեկտրոլիտներից յուրաքանչյուրի ազդեցությունը ուժեղանում է. կոագուլյացիայի համար դրանցից ավելի քիչ է պահանջվում խառնուրդում, քան յուրաքանչյուրի առանձին:

LiCl+CaCl 2-ը գործում է H 2 S հիդրոզոլի վրա

Բրինձ. 5.2. ընթացքում էլեկտրոլիտների համակցված գործողությունը

կոագուլյացիա.

DLFO հիդրոֆոբ դիսպերս համակարգերի կայունության տեսություն

Էլեկտրոլիտներով կոագուլյացիայի ժամանակակից ֆիզիկական տեսությունը հիմնված է վիճակագրական ֆիզիկայի ընդհանուր սկզբունքների, մոլեկուլային ուժերի տեսության և լուծույթների տեսության վրա։ Դրա հեղինակներն են՝ Բ.Վ. Դերյագին, Լ.Դ. Լանդաու (1937-1941), Է.Վերվեյ, Ջ.Օվերբեք (ըստ առաջին տառերի DLFO):

Տեսության էությունը.Ցանկացած մասնիկների միջև, երբ դրանք միավորվում են, առաջանում է տարանջատող հեղուկ շերտի անջատվող ճնշում՝ ձգող և վանող ուժերի գործողության արդյունքում։ Անջատող ճնշումը ամփոփ պարամետր է, որը հաշվի է առնում ինչպես գրավիչ, այնպես էլ վանող ուժերի գործողությունը:

Համակարգի վիճակը կախված է ներգրավման էներգիայի (U pr) և վանման էներգիայի (U ret) հավասարակշռությունից։ Գերակշռում է Uott - կայուն համակարգ: Գերակշռում է U pr - ագրեգատիվ կայունության խախտում - կոագուլյացիա:

Երկու մասնիկների փոխազդեցության էներգիայի փոփոխությունը, երբ նրանք մոտենում են միմյանց, պատկերված է գրաֆիկորեն (նկ. 5.3):

Երկու մասնիկներից բաղկացած համակարգի (կոր 3) ընդհանուր էներգիան ստացվում է U ելք և U ավելացնելով.

U=U ott +U pr =

որտեղ. B-ն բազմապատկիչ է, որը կախված է դիզելային էլեկտրակայանի էլեկտրական պոտենցիալների արժեքներից, շրջակա միջավայրի հատկություններից և ջերմաստիճանից.

e – բնական լոգարիթմի հիմքը.

գ-ը ցրված շերտի հաստության փոխադարձությունն է.

h – մասնիկների միջև հեռավորությունը;

A-ն մոլեկուլային գրավիչ ուժերի հաստատունն է:

Նկ.5.3. Պոտենցիալ փոխազդեցության կորեր

կոլոիդային մասնիկներ.

1 – վանող էներգիայի փոփոխություն հեռավորության հետ;

2 - ներգրավման էներգիայի փոփոխություն;

3 - արդյունքում կոր:

Դիտարկենք ստացված կորը 3 Նկար 5.3-ում: Այն ունի բնորոշ ոլորտներ.

Փոքր հեռավորությունների շրջանում առկա է խոր առաջնային նվազագույն (պոտենցիալ ջրհոր) - զգալիորեն գերակշռում է U պողոտան:Առաջնային նվազագույնը համապատասխանում է մասնիկների ուղղակի կպչունությանը (I):

Մեծ հեռավորությունների շրջանում կա երկրորդական ծանծաղ նվազագույնը (երկրորդ պոտենցիալ հորատանցքը, որը համապատասխանում է միջավայրի շերտի միջով ներգրավմանը): II դիագրամում.

Միջին հեռավորությունների շրջանում կորի վրա կա առավելագույն և, եթե այն գտնվում է x առանցքից վեր, ապա առաջանում է էներգետիկ արգելք վանող ուժերին (DU b):

Ստացված կորը 3 կարող է ունենալ այլ տեսք՝ կախված ցրված համակարգի կայունությունից (նկ. 5.4.):

Բրինձ. 5.4. Պոտենցիալ կորեր հաստատ

Ցրված համակարգի կայունության վիճակները.

1 - համակարգում, մասնիկների միջև ցանկացած հեռավորության վրա, ներգրավման էներգիան գերակշռում է վանման էներգիայի վրա: Նման համակարգում նկատվում է արագ կոագուլյացիա՝ ագրեգատների առաջացմամբ։

2 - բավականին բարձր պոտենցիալ խոչընդոտ և երկրորդական նվազագույնի առկայությունը: Մասնիկները փոխազդում են, բայց անմիջական շփում չունեն և բաժանված են միջավայրի շերտերով։

3 - ագրեգատի բարձր կայունությամբ համակարգ (բարձր պոտենցիալ խոչընդոտ և երկրորդական նվազագույնի բացակայություն կամ դրա խորության վրա ջերմային էներգիայի kT-ից պակաս):

Կախված էներգետիկ արգելքի բարձրությունից և պոտենցիալ հորերի խորությունից՝ հնարավոր են մասնիկների վարքագծի տարբեր տարբերակներ մոտենալիս (նկ. 5.5), մասնիկներն ունեն կինետիկ էներգիա՝ kT։

Նկ.5.5. Կոլոիդային մասնիկների փոխազդեցության սխեմաներ

Պետություն Վ: Ցածր արգելքի բարձրությունը և մակերեսային երկրորդական նվազագույնը՝ DU b @DU i £kT մասնիկները մտնում են կարճ հեռավորության փոխազդեցության մեջ, այսինքն. անմիջական շփման մեջ մտնել - տեղի է ունենում կոագուլյացիա

Պետություն Ա: Բնութագրվում է նրանով, որ ցրված շերտերը համընկնում են և պահպանվում են մասնիկների (գելերի) միջև եղած միջավայրի շերտերը։ Էներգետիկ արգելք բավականին բարձր Երկրորդական նվազագույնը մակերեսային է. Փոխազդող մասնիկները չեն կարող իրարից հեռանալ (դրանք հետ են պահվում գրավիչ ուժերով) և չեն կարող մոտենալ (կանխում են վանող ուժերը)։ Էլեկտրոլիտի ավելացումը ամենից հաճախ հանգեցնում է կոագուլյացիայի (ժ-ը նվազում է):

Պետություն բ: Բարձր էներգիայի խոչընդոտ DU b ³kT և բացակայություն կամ մակերեսային երկրորդական նվազագույն DU i £kT. Մասնիկները չեն կարող հաղթահարել արգելքը և ցրվել առանց փոխազդեցության: Նման համակարգը ագրեգատիվ կայուն է։

Ցրված համակարգը ագրեգատիվ կայուն է վանող ուժերի բարձր էներգետիկ արգելքի դեպքում:

Կոագուլյացիայի մակարդակը

Կոագուլյացիայի ընթացքը, կախված կոագուլացնող էլեկտրոլիտի կոնցենտրացիայից, կարելի է բաժանել երկու փուլի՝ դանդաղ և արագ։

Նկ.5.6. Կոագուլյացիայի արագության կախվածությունը

էլեկտրոլիտի կոնցենտրացիան

Տարածքում դանդաղԿոագուլյացիայի արագությունը մեծապես կախված է կոնցենտրացիայից (հատված AB): B կետում արագությունը դառնում է հաստատուն և կախված չէ էլեկտրոլիտի կոնցենտրացիայից - այստեղ z - պոտենցիալի արժեքը զրո է - սկիզբը արագկոագուլյացիա. Էլեկտրոլիտի կոնցենտրացիան, որից կոագուլյացիայի արագությունը մնում է հաստատուն, կոչվում է արագ մակարդման շեմը.

Կոագուլյացիայի կինետիկայի տեսությունները մշակել է Սմոլուչովսկին (1916)։

Կոագուլյացիան համարվում է երկրորդ կարգի ռեակցիա, որի տարրական գործողությանը մասնակցում են երկու մասնիկներ.

Սմոլուչովսկու հավասարումը t ժամանակի ընթացքում իրար կպած m-կտորներով մասնիկների քանակի հաշվարկման համար.

;

Մասնիկների սկզբնական թիվը;

Կես կոագուլյացիայի ժամանակ ().

Արագ կոագուլյացիայի դեպքում բոլոր բախվող մասնիկները արձագանքում են (DU b = 0):

Սմոլուչովսկու հավասարումը արագ կոագուլյացիայի արագության հաստատունի համար.

որտեղ h-ը միջավայրի մածուցիկությունն է:

Դանդաղ կոագուլյացիայի դեպքում ոչ բոլոր բախումները հանգեցնում են կպչունության: Սմոլուչովսկու հավասարումը դանդաղ կոագուլյացիայի համար.

;

որտեղ P-ը ստերիկ գործոն է, որը հաշվի է առնում բախման ժամանակ մասնիկների բարենպաստ տարածական դասավորությունը և դրանց ֆիզիկական չափերը։ Արագ կոագուլյացիայի դեպքում բոլոր բախումները արդյունավետ են և P = 1, դանդաղ P-ով<1.

DE – պոտենցիալ արգելք, արագ կոագուլյացիայով DE=0, դանդաղ կոագուլյացիայով DE¹0:

h - մածուցիկություն.

Կոագուլյացիայի շեմը կարելի է հաշվարկել Դերյագինի և Լանդաուի կողմից տեսականորեն գտած հարաբերությունից և կոչվել. 6-րդ աստիճանի օրենք:

կոլոիդային մասնիկների միջև էներգետիկ արգելքը անհետանում է, երբ հասնում է կրիտիկական կոնցենտրացիան (g), որը հակադարձ համեմատական ​​է կոագուլատոր իոնի լիցքի վեցերորդ ուժին.

;

C-ն հաստատուն է՝ կախված կատիոնի և անիոնի լիցքերի քանակից.

e-ը լուծույթի դիէլեկտրական հաստատունն է.

A – վան դեր Վալսի ձգողականության հաստատուն;

e - էլեկտրոնային լիցք;

k – Բոլցմանի հաստատուն;

z – կոագուլացնող իոնի լիցք:

Այս հավասարման համաձայն՝ 1, 2 և 3 հակաիոնային լիցքերով տարրերի g արժեքները կապված են 1:1/2 6:1/3 6 =1:1/64:1/729:

Հավասարումը լավ հիմք է տալիս Շուլցե-Հարդիի հիմնական կանոնին:

Այն դեպքերում, երբ կայունության ադսորբցիոն-լուծման գործոնի դերը մեծ է, դրսևորվում է DLVO տեսության մոտարկումը, քանի որ. այն հաշվի չի առնում հատուկ կլանման դերը և իոնի կապը լուծիչի նկատմամբ:

Կոագուլյացիայի ժամանակ բախումների արդյունավետության և պոտենցիալ արգելքի կապը ցույց է տվել Ն.Ա.Ֆուկսը։

Եթե ​​DE-ն զգալիորեն մեծ է kT-ից, ապա կոագուլյացիայի արագությունը կարող է մոտենալ զրոյի, և համակարգը կստացվի, որ ագրեգատիվ անկայուն է:

Ֆուկսի մշակած տեսությունը օգտագործում է կոագուլյացիայի հետաձգման W գործակիցի հայեցակարգը, որը ցույց է տալիս, թե դանդաղ կոագուլյացիայի արագության հաստատունը քանի անգամ է պակաս արագ կոագուլյացիայի արագության հաստատունից։ Հաշվի առնելով K b և K m արտահայտությունները՝ ստանում ենք.

W գործակիցը կոչվում է կայունության գործակից կամ կայունության գործակից։

Սոլերի ծերացում

Լյոֆոբ կոլոիդները թույլ փոխազդեցություն ունեն ցրված փուլի և ցրված միջավայրի միջև և բնութագրվում են ժամանակի ընթացքում ցրվածությունը նվազեցնելու միտումով:

Դրանց առաջացման ընթացքում մասնիկների ստացած ազատ մակերևութային էներգիայի ավելցուկը (ըստ թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի) ավելի կայուն վիճակի անցման հիմնական պատճառն է, որը որոշվում է մասնիկների մեծացմամբ։

Մասնիկների մեծացման (դիսպերսիայի աստիճանի նվազում) ինքնաբուխ գործընթացը լիոֆոբ լուծույթներում կոչվում է ծերացում կամ ավտոկոագուլյացիա։

Ծերացման արագությունը շատ ավելի դանդաղ է, քան մակարդումը էլեկտրոլիտների ազդեցության տակ:

Մոլեկուլային պաշտպանիչ ազդեցություն

ներծծող շերտեր

Որոշ համակարգեր ունեն շատ բարձր կայունություն, նրանք նույնիսկ ձեռք են բերում ինքնաբերաբար ձևավորվելու ունակություն՝ կոլոիդային լուծելիություն։

Սոլիների մեծ մասում երկու փուլերի միջերեսում կան ադսորբցիոն շերտեր, որոնք ձևավորվում են մակերեսային ակտիվ նյութի մոլեկուլներից: Ադսորբցիոն շերտերը պաշտպանում են մասնիկները միմյանց կպչելուց, սակայն դրանք ծածկում են ոչ թե ամբողջ մակերեսը, այլ դրա մոտավորապես 40...60%-ը։

Առավելագույն կայունություն է ձեռք բերվում, երբ ձևավորվում է ամբողջական կլանման շերտ:

Մակերեւութային ակտիվ նյութերի ազդեցության տակ ցրված համակարգերի կայունության բարձրացումը կոչվում է կոլոիդային պաշտպանությունկամ կոլոիդների կայունացում.

Որպես կայունացուցիչ օգտագործվում են հետևյալը՝ բարձր մոլեկուլային մակերևութային ակտիվ նյութեր, ժելատին, ալբումին, կազեին, օսլա, պեկտին, ռետիններ, հեմոգլոբին և այլն։

Որոշակի կոլոիդի կայունացնող ազդեցությունը քանակականացնելու համար Ռ. Զիգմոնդին առաջարկել է այսպես կոչված. ոսկե թիվ.

Ոսկե թիվը կայունացնող նյութի նվազագույն զանգվածն է (մգ), որը կարող է պաշտպանել 10 մլ կարմիր ոսկու լուծույթը (կանխել կարմիր-կապույտ գույնի փոփոխությունը) 1 մլ 10% NaCl լուծույթի մակարդման ազդեցությունից:

Որքան ցածր է ոսկու թիվը, այնքան մեծ է կոլոիդի պաշտպանիչ ազդեցությունը:

Արծաթի սալիկների նկատմամբ պաշտպանիչ ազդեցությունը նույնպես որոշվում է - արծաթի համար, ռուբին կոնգո - ռուբինի համար, ծծումբ - ծծմբի համար և այլն: