Коагуляция. 
Химия

Хотя под коагуляцией понимают сцепление частиц дисперсной фазы, но этот процесс равнозначен разрушению коллоидной системы при потере ею устойчивости.

Наиболее сильное влияние на коагуляцию оказывают электролиты, что имеет большое практическое значение. Они уменьшают диффузный слой ионов мицеллы до такой степени, что он перестает предохранять частицы от слипания. При коагуляции дзета-потенциал понижается, что ослабляет электростатическое отталкивание частиц. Снижение^{-потенциала} до некоторой критической величины (до наступления изоэлектрического состояния частицы) приводит к разрушению дисперсной системы.

В обратном процессе — пептизации (см. параграф 8.13), наоборот, повышение концентрации ионов может привести к образованию диффузного слоя, росту^{-потенциала} и переходу осадка в коллоидное состояние.

Из-за стремления системы перейти в состояние с более низкой поверхностной энергией мелкие частицы объединяются с образованием новых связей между ними, что сопровождается выделением теплоты (Q > 0) или уменьшением энтальпии (АII < 0). В результате благодаря межмолекульным силам образуются более крупные агрегаты.

Укрупнение частиц приводит к увеличению степени порядка в системе и уменьшению энтропии. При самопроизвольной коагуляции изобарный потенциал уменьшается (AG < 0) до установления состояния, при котором энтальпийный и энтропийный факторы становятся равными (АН = TAS), и тогда AG = 0.

Коагуляция может проходить с различными скоростями, и различают медленную и быструю коагуляцию.

При медленной коагуляции только часть соударений приводит к образованию более крупных частиц. Медленная коагуляция совершается, когда энергия броуновского движения частиц достаточна для преодоления взаимного отталкивания двух частиц, окруженных ионными оболочками одинакового заряда (по аналогии с энергией активации). Скорость медленной коагуляции зависит от концентрации электролита, заряда его ионов, температуры, вязкости растворителя и других факторов.

При быстрой коагуляции почти каждое соударение частиц эффективно, так как дзета-потенциал понижен или даже равен нулю и силы отталкивания частиц также равны нулю.

При разбавлении коллоидного раствора происходит понижение концентрации электролита, что приводит к уходу ионов из диффузного слоя мицеллы и понижению дзета-потенциала. При выпаривании раствора концентрация частиц повышается, и это способствует их слипанию. В обоих случаях наступает коагуляция.

Коагулирующее действие оказывает не электролит, а только те его ионы, заряд которых по знаку противоположен заряду ионов диффузного слоя коллоидной частицы. По отношению к отрицательно заряженным частицам золей коагулирующая способность катионов возрастает с увеличением заряда катиона. Коагулирующая способность анионов по отношению к положительно заряженным частицам изменяется в противоположном направлении.

Если коагуляцию предполагается проводить с использованием смеси электролитов, то следует учитывать, что в некоторых случаях результат определяется их суммарной концентрацией, т. е. проявляется свойство аддитивности.

Иногда действие электролитов в смеси усиливается (синергизм), и наоборот, требуется большее количество электролитов, чем при их раздельном применении (антагонизм).

Коагуляция гидрофобных коллоидных растворов может происходить не только под действием электролитов, но и при смешении двух золей с противоположными знаками зарядов частиц. Это явление взаимной коагуляции может быть вызвано нейтрализацией зарядов ионов диффузных слоев частиц.

Коагуляция начинается при определенной концентрации электролита в растворе, называемой порогом коагуляции, под которым понимают минимальное количество (моль/л) электролита, вызывающее появление мути и хлопьев в коллоидном растворе. Чем выше заряд иона, тем сильнее его коагулирующее действие, тем ниже порог коагуляции и тем меньше требуется электролита для коагуляции.

Порог коагуляции зависит от природы дисперсной фазы, концентрации ее в коллоидной системе, скорости прибавления электролита, интенсивности перемешивания, присутствия других веществ и воздействия других факторов. Значения порога коагуляции у для одно-, двух-, грехи четырехзарядных ионов относятся как.

По коагулирующей способности ионы располагаются следующим образом:

Чем менее гидратирован ион, тем сильнее выражена его коагулирующая способность. На коагулирующую способность катиона влияет природа связанного с ним аниона. Так, порог коагуляции положительно заряженного золя гидроксида алюминия составляет для хлорида калия 0,05 моль/л, а для сульфата калия — 0,003 моль/л.

Стабилизация коллоидных систем имеет большое значение в природе и в производстве. Для сохранения коллоидных растворов применяют стабилизаторы — вещества ионного или молекульного строения, адсорбирующиеся в гранулах. Ионные стабилизаторы усиливают ионные слои, затрудняя объединение частиц. Молекульные стабилизаторы создают вокруг сольватные оболочки из молекул дисперсионной среды, также затрудняющие объединение частиц.

Для стабилизации дисперсных систем широко используются поверхностно-активные вещества (ПАВ). Молекулы ПАВ входят в адсорбционный и диффузный слои таким образом, что полярные группы молекул становятся ориентированными в сторону воды, и это усиливает гидрофильность частицы и ее устойчивость.

Устойчивость гидрофобных золей сильно повышается при введении в раствор даже незначительных количеств высокомолекульных соединений, растворимых в дисперсионной среде. Повысить устойчивость золей гидрофобного коллоида можно, добавляя небольшое количество желатина, яичного белка, казеина, крахмала, сахара (вещества перечислены в порядке уменьшения их защитного действия) и других подобных веществ.

Повышение устойчивости золей за счет введения таких добавок называется коллоидной защитой и объясняется адсорбцией веществ на поверхности частиц золя. В результате определенной ориентации групп —ОН, —СООН, — NH₂ адсорбированных молекул образуются дополнительные и более прочные гидратные оболочки, препятствующие слипанию частиц. При нагревании коллоидная защита ослабляется вследствие десорбции стабилизатора.

Коагуляцию широко применяют при очистке природных и сточных производственных вод от взвешенных и коллоидных примесей. В воду добавляют электролит-коагулянт, который выбирают так, чтобы знак заряда его коллоидных частиц был противоположен знаку заряда частиц примесей.

Коагуляция может происходить также иод действием ультразвука, излучаемого пьезокварцевыми и магнитострикционными вибраторами (с частотой колебаний 500—1000 кГц). Это явление используется для обеззараживания воды, так как ультразвук приводит к коагуляции белков клеток микроорганизмов. Однако этот метод применяется редко из-за малой мощности генераторов колебаний.

Коллоидные системы разрушаются в электрическом поле из-за разрушения диффузного слоя и слипания частиц. Электрокоагуляцию используют для очистки воды, в медицине для остановки кровотечения при операциях и лечения эрозий (поверхностное изъязвление слизистых оболочек).

Для очистки загрязненной воды используют обратный процесс, при котором в воду добавляют вещества, при определенных условиях (например, pH) образующие хлопья, захватывающие загрязнения и осаждающиеся вместе с ними. Чаще всего для удаления дисперсных примесей применяют хлорид алюминия А1С1₃, сульфат алюминия A1₂(S0₄)₃* 18Н₂0, хлорид железа FeCl₃-6H₂0, сульфат железа FeS0₄ -7H₂0 (железный купорос) и другие вещества.

Эти вещества гидролизуются, но для полного гидролиза и образования малорастворимого гидроксида необходимо связывание образующихся ионов водорода. Для этого в раствор добавляют гидроксид натрия, соду (карбонатили гидрокарбонат-ионы) и другие вещества.

Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой образуются постепенно оседающие рыхлые хлопья. Флокуляцию используют для очистки воды. В качестве флокулянтов применяют синтетические полимерные материалы, в частности полиакриламид.

В почве роль защитных коллоидов (чаще всего по отношению к гидроксидам железа и алюминия) играют гуминовые кислоты. Образование различных месторождений иногда объясняют коагуляцией в природных растворах. Например, медные месторождения могли образоваться при коагуляции растворов солей меди основными растворами.

В медицине склеивание частиц крови и бактерий в комочки и их выпадение в осадок называют агглюцинацией. Существуют вещества, способствующие растворению тромба.

Летучие мыши, обитающие в Южной Америке, питаются кровью животных. Прокусывая кожу, эти кровососы (вампиры) вводят в кровь фермент, который препятствует свертыванию, поэтому ранка после укуса долго кровоточит.

После окончания коагуляции начинается осаждение образовавшихся крупных частиц под действием силы тяжести, называемое седиментацией (рис. 8.16). При коагуляции золей укрупнение частиц до размера 10 ⁴ см, однако, не сопровождается их оседанием. Дальнейший рост частиц приводит к образованию сгустков или хлопьев, флокул, выпадающих в осадок.

Рис. 8.16. Коагуляция и седиментация.

Способность частиц удерживаться во взвешенном состоянии зависит от их размеров, массы, вязкости раствора, различия плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды. Если плотность дисперсной фазы меньше плотности дисперсионной среды, частицы поднимаются на поверхность, всплывают (например, сливки молока). Когда в дисперсионной среде находится два вида частиц с плотностями больше и меньше плотности среды, то их можно отделить друг от друга.