Теория устойчивости дисперсных систем ДЛФО

Агрегативная устойчивость/неустойчивость системы зависит от возможности контакта частиц; для слипания частицы должны сблизиться на определенное расстояние. В теории агрегативной устойчивости, известной под названием теория ДЛФО (первые буквы фамилий авторов теории: Б. В. Дерягин и Л. Д. Ландау, Россия, и Э. Фервей и Дж. Т. Овербек, Голландия), рассматривается совместное действие сил притяжения и сил отталкивания между частицами.

Исторический экскурс

Борис Владимирович Дерягин — выдающийся ученый, внесший неоценимый вклад практически в каждый раздел коллоидной химии. Исследуя свойства глинистых суспензий, он установил, что тонкие слои воды между отдельными частицами суспензии обладают свойствами, отличными от свойств воды в объеме, в том числе расклинивающим давлением, препятствующим сближению частиц. Совместное рассмотрение сил притяжения и отталкивания объясняло устойчивость системы. Эти исследования наряду с количественными расчетами и выявлением критерия устойчивости были опубликованы Б. В. Дерягиным совместно с Львом Давидовичем Ландау в нескольких научных статьях 1935—1941 гг.; за рубежом об этих работах узнали значительно позже.

Голландские ученые Э. Фервей (Vervey) и Дж.Т. Овербек (Overbek) также занимались исследованиями в этой области. Э. Фервей в 1934 г. защитил диссертацию, посвященную изучению двойного электрического слоя и стабильности лиофобных коллоидов. Позднее им была опубликована серия статей, где рассматривается действие электрических сил и сил Лондона — Ван-дер-Ваальса между коллоидными частицами, находящимися в растворе электролита. А в 1948 г. в соавторстве с Овербеком вышла его монография «Теория стабильности лиофобных коллоидов»^[1].

Вопрос о научном приоритете относительно создания теории разрешился признанием заслуг всех четырех авторов.

Силы притяжения — это силы межмолекулярного взаимодействия (силы Лондона — Ван-дер-Ваальса). Силы притяжения, возникающие между отдельными атомами, проявляются на очень малых расстояниях порядка атомных размеров. При взаимодействии частиц вследствие аддитивности дисперсионных сил притяжение между частицами проявляется на значительно больших расстояниях. Энергия притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния между частицами:

Силы отталкивания между частицами имеют электростатическую природу. Электростатическая энергия отталкивания, возникающая при перекрытии диффузных слоев, уменьшается с увеличением расстояния по экспоненте:

В приведенных выше формулах для энергий притяжения и отталкивания А* — константа Гамаксра; х — расстояние между частицами; е — диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды; е° = 8,85 • К) ¹² Ф/м — электрическая постоянная; (р^ — потенциал диффузного слоя; А. — толщина диффузного слоя двойного электрического слоя (ДЭС).

?? Подробнее о строении ДЭС, включающего адсорбционный и диффузный слои, см. в параграфе 4.3.

Энергии притяжения присваивают знак «минус», энергии отталкивания — знак «плюс». Энергии притяжения и отталкивания рассматриваются в теории ДЛФО как составляющие расклинивающего давления между частицами. Действие энергий притяжения и отталкивания в зависимости от расстояния между частицами показано на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Схематическое изображение зависимости энергий притяжения и отталкивания от расстояния между частицами твердой фазы.

На результирующей кривой суммарной энергии на рис. 4.2 можно выделить три участка.

Участок а. На малых расстояниях между коллоидными частицами (до 100 нм) преобладают силы притяжения, возникает энергетическая яма или ближний энергетический минимум. Если частицы сблизятся на такое расстояние, произойдет коагуляция под влиянием сил притяжения. Коагуляция в таких случаях необратима.

Участок б. На средних расстояниях электростатические силы отталкивания больше сил межмолекулярного притяжения, возникает энергетический максимум — потенциальный барьер, препятствующий слипанию частиц; высота барьера зависит от заряда поверхности и толщины диффузного слоя.

Если потенциальный барьер высок, частицы не в состоянии его преодолеть, то коагуляция не происходит. Возможности преодоления барьера определяются его снижением (уменьшение заряда поверхности и сил отталкивания между частицами, например при воздействии электролита) или увеличением энергии частиц (нагревание).

??В лияние электролитов на строение двойного электрического слоя разобрано в подпараграфе 4.3.3.

Далее под влиянием сил притяжения частицы сближаются, и происходит коагуляция. Если частицы не могут преодолеть барьер, то коагуляция не происходит и система может сохранять агрегативную устойчивость достаточно долго.

Участок в. На относительно больших расстояниях (около 1000 нм) также превалируют силы притяжения, образуя на результирующей кривой так называемый дальний минимум. Глубина дальнего минимума индивидуальна для каждой системы. При незначительном дальнем минимуме сближению частиц препятствует потенциальный барьер.

Если дальний минимум достаточно глубок, то частицы при сближении не могут покинуть потенциальной ямы и остаются в равновесном состоянии на соответствующем расстоянии друг от друга, сохраняя свою индивидуальность.

Наличие высокого потенциального барьера препятствует более тесному сближению частиц, между ними сохраняется прослойка жидкости. Система в целом сохраняет дисперсность, представляя собой рыхлый осадок — коагулянт, или флокулянт. Такое состояние отвечает обратимости коагуляции; возможен перевод системы в состояние золя (пептизация).

" Пептизация — один из методов получения дисперсных систем, см. параграф 2.4.

При большой концентрации дисперсной фазы может образоваться структурированная система — гель.

?? Особенности структурированных систем более подробно обсуждаются в параграфе 9.4.

Резюме

Агрегативная устойчивость системы (устойчивость к коагуляции) во многом определяется наличием электрического заряда на поверхности.

• [1] Vetvey E.J., Overbeek J. Th. G. Theory of the stability of lyophobic colloids. N. Y.: Elsevier, 1948.