Седиментационная устойчивость

Лиофобных золей

Дисперсные системы характеризуются значительным избытком свободной нескомпенсированной поверхностной энергии

G _пов = s S,

связанным как с большой удельной поверхностью S, обусловленной наличием раздробленной дисперсной фазы, так и со сравнительно высокими значениями межфазового поверхностного натяжения. Этот избыток определяет принципиальную неустойчивость лиофобных дисперсных систем. В результате в них протекают процессы, ведущие к снижению дисперсности (укрупнению частиц дисперсной фазы) и, в конечном итоге, к разрушению дисперсных систем, т.е. разделению на две макрофазы. Поэтому речь может идти только об относительной термодинамической устойчивости дисперсных систем.

Устойчивость – это способность дисперсных систем сохранять свой состав неизменным, когда концентрация дисперсной фазы и распределение частиц по размерам остаются постоянными во времени.

Проблема устойчивости — одна из центральных проблем коллоидной химии, это проблема «жизни и смерти» дисперсных систем. На практике, часто приходится решать две противоположные задачи: сохранить дисперсную систему или разрушить ее. Например, устойчивыми должны быть пищевые массы. Вода природных водоемов представляет собой дисперсную систему, которую для использования необходимо очистить – перевести в осадок все примеси, то есть разрушить.

Различают два вида устойчивости: седиментационную и агрегативную.

Седиментационная устойчивость – это способность системы противодействовать оседанию частиц (силе тяжести).

Противодействие силе тяжести зависит от размеров частиц. Для крупных (средне- и грубодисперсных) частиц – это сила трения, для мелких (высокодисперсных) – тепловое (броуновское) движение.

Пусть r – радиус частиц дисперсной фазы (для сферических частиц); ρ - плотность частицы; ρ₀ – плотность дисперсионной среды; m – вязкость дисперсионной среды; V – объем частицы.

На частицу действуют силы:

1) гравитационная сила F_сед

,

где g – ускорение свободного падения.

Для сферической частицы

,

где d – диаметр частицы.

2) сила трения при оседании частицы F_тр:

,

где В – коэффициент трения;

U_сед – скорость оседания частицы.

Сила трения пропорциональна вязкости дисперсионной среды:

F_тр ~ m

3) тепловое (броуновское) движение, следствием которого является диффузия, стремящаяся выровнять концентрацию частиц по всему объему:

~ kT.

Повысить седиментационную устойчивость дисперсной системы можно за счет следующих факторов:

1) снижение силы тяжести: достигается путем уменьшения размера частиц с помощью устройств для дробления дисперсной фазы – диспергаторов (уменьшение диаметра частицы в 2 раза приводит к снижению силы тяжести в 8 раз)

2) повышение вязкости среды: достигается при введении различных добавок, повышающих вязкость (сиропы, желатин)

3) обеспечение хранения дисперсной системы при температуре, не ниже установленной нормы, так как при снижении температуры уменьшается броуновское движение, а, следовательно, и седиментационная устойчивость (например, если поставить вино в холодильник, может образоваться осадок).

Для нарушения седиментационной устойчивости необходимо наоборот увеличить силу тяжести, для чего применяется центробежное поле (сепарирование, центрифугирование). Например, при сепарировании молока эмульсия разрушается и выделяется молочный жир, капельки которого являются дисперсной фазой системы.