Молекулярно-адсорбционная стабилизация дисперсных систем. Структурно-механический фактор

Молекулярно-адсорбционная стабилизация дисперсных систем играет большую роль в устойчивости дисперсий как в водной, так и в неводных средах.

Дисперсные системы в неводных средах в принципе менее устойчивы, чем в водной среде. В неполярной и не содержащей воды дисперсионной среде частицы дисперсной фазы лишены электрического заряда. Электрический фактор стабилизации отсутствует.

Между дисперсными частицами существуют только силы взаимного притяжения. Ослабление этих сил, приводящее к стабилизации дисперсных систем, может происходить в результате образования вокруг коллоидных частиц адсорбционных слоёв из молекул дисперсионной среды и растворённых в ней веществ.

Такие слои ослабляют взаимное притяжение частиц дисперсной фазы и создаютструктурно-механический барер, препятствующий их сближению.

Стабилизация дисперсных систем за счёт сольватации дисперсной фазы молекулами дисперсионной среды возможна как в полярных, так и в неполярных средах.

Так, гидратация частиц глины и кремневой кислоты имеет существенное значение для устойчивости суспензий глин и золя кремневой кислоты в водной среде.

Однако, стабилизация дисперсных систем значительно более эффективна при добавлении к ним поверхностно-активных веществ (ПАВ) и высокомолекулярных соединений, адсорбирующихся на границе раздела фаз.

Адсорбционные слои ПАВ и высокомолекулярных соединений, обладая упругостью и механической прочностью, надёжно предотвращают слипание дисперсных частиц.

Образование таких молекулярно-адсорбционных твёрдообразных поверхностных слоёв советский физик П.А. Ребиндер назвал структурно-механическим фактором стабилизации дисперсных систем.

Этот механизм играет основную роль при получении предельно устойчивых высококонцентрированных пен, эмульсий, коллоидных растворов и суспензий не только в неводных, но и в водных средах.

Для структурно-механической стабилизации дисперсий в водной среде применяют мыла щелочных металлов, белки, крахмал, а в неводных средах – мыла щелочноземельных металлов, смолы каучуки. Такие вещества называют защитными коллоидами.

Эмульсии и эмульгаторы.

Грубодисперсные системы

Эмульсии это один из видов грубодисперсных систем. Помимо эмульсий к грубодисперсным системам относятся суспензии, пены, порошки и пр.

Грубодисперсные системы отличаются от коллоидных систем более крупным размером частиц дисперсной фазы. Верхний предел размеров коллоидных частиц составляет ~10^-7м, грубодисперсные системы имеют размер частиц от 10^-7 м и выше.

Эмульсии

Эмульсиями называют дисперсные системы из несмешивающихся жидкостей. В таких системах, состоящих, например, из двух жидкостей, одна из них (дисперсная фаза) взвешена в другой (дисперсной среде) в виде капелек.

Размеры капелек различны и могут достигать 5 · 10^-6 м и выше.

Ряд свойств эмульсий сходен со свойствами коллоидов: они также имеют выраженную поверхность раздела, неустойчивы и нуждаются в стабилизаторах (эмульгаторах).

Эмульсии могут образовывать только взаимно нерастворимые жидкости. Чаще всего эмульсии состоят из воды и жидкости, которые принято называть «маслом». Молекулы масла менее полярны, чем молекулы воды и в этом кроется секрет взаимной нерастворимости этих веществ.

Возможны два типа эмульсий: масло в воде (м/в) и вода в масле (в/м).

При энергичном взбалтывании смесей, состоящих из воды и масла, компонент, содержащийся в меньшем количестве, дробиться на мельчайшие капельки, распределяющиеся по всему объёму.

Если дисперсной фазой является масло, то образуется эмульсия, в которой капельки жидкости по свойствам очень схожи с частицами гидрофобного коллоида.

Главным фактором их устойчивости также является заряд, возникающий за счёт адсорбции некоторых ионов, обладающих этим зарядом. Таким образом капельки эмульсии имеют некоторый ζ-потенциал.

Обычно концентрация дисперсной фазы в эмульсиях чистых жидкостей (без стабилизаторов) не превышает 2%.

Устойчивость таких эмульсий невысока, легко происходит самопроизвольное слияние капелек дисперсной фазы (так называемая коалесценция) и последующее расслоение жидкости. Чем меньше размер капелек, тем устойчевее эмульсия.

Коалесценция и коагуляция – два родственных процесса. Оба связаны с потребностью дисперсных систем уменьшить свою свободную энергию.

Термин коалесценция используют по отношению к слиянию капель жидкости или газовых пузырьков.

Коагуляция – это процесс слипания твердых частиц в дисперсных системах с образованием более крупных частиц. Коагуляция ведёт к выпадению из коллоидного раствора осадка или к застудневанию.

Эмульгаторы

Достаточно устойчивую и концентрированную эмульсию можно приготовить лишь при добавлении стабилизатора (эмульгатора).

Эмульгаторы не только сообщают капелькам эмульгируемой жидкости заряд, но, главным образом, создают вокруг них своеобразную оболочку, препятствующую коалесценции.