Коагуляция коллоидных систем и пептизация

Коагуляция — процесс слипания коллоидных частиц лиофобных коллоидов с образованием более крупных агрегатов и последующей потерей кинетической устойчивости (выпадение в осадок).

В коагуляции различают две стадии: скрытая коагуляция — потеря агрегативной устойчивости, изменения в золе невооруженным глазом не видны, но обнаруживаются инструментальными методами по резкому увеличению интенсивности светорассеяния, и явная — заметны изменения визуально: помутнение, изменение окраски, выпадение осадка.

Коагуляция может быть вызвана:

• 1) прибавлением электролитов;
• 2) изменением температуры;
• 3) механическим воздействием;
• 4) высокочастотными колебаниями;
• 5) ультрацентрифугированием.

Наиболее важным фактором является действие электролитов. Рассмотрим свойства и характеристики этого процесса.

• 1. Любой электролит может быть коагулянтом.
• 2. Минимальная концентрация электролита, которая вызывает коагуляцию, называется порогом коагуляции (символ у, ед. измерения моль/дм³).

Порог коагуляции визуально определяют по изменению цвета раствора и появлению мути. Экспериментально его рассчитывают по формуле (2.1):

где С₀ — исходная концентрация электролита, моль/дм³; п — максимальное разбавление электролита, при котором наблюдается коагуляция; т — коэффициент, учитывающий разбавление коагулирующего электролита золем (при соотношении 1:1 он равен 2).

• 3. Коагулянтом является ион электролита, заряд которого противоположен заряду потенциалопределяющих ионов мицеллы (заряду гранулы).
• 4. Коагулирующая способность иона-коагулянта повышается с увеличением заряда (правило Шульце-Гарди):

5. При одинаковых зарядах ионов-коагулянтов коагулирующая активность возрастает с уменьшением способности ионов к сольватации (гидратации) — лиотропные ряды Гофмейстера:

6. Процессы коагуляции начинаются, когда значение дзета-потенциала снижается до критического 0,03 В (рис. 2.3).

При небольших концентрациях электролита-коагулятора его концентрация недостаточна для коагуляции золя, дзета-потенциал выше критического значения (рис. 2.3). Дальнейшее добавление электролита приводит к коагуляции золя. Указанный интервал концентраций отвечает значениям потенциала от критического значения одного знака до другого знака. При последующем добавлении многозарядных ионов начинается перезарядка коллоидных частиц и золь становится опять устойчивым.

Рис. 2.3. Изменение (^-потенциала при увеличении концентрации электролита

^ — зоны устойчивости В момент, когда концентрация коагулянта становится достаточной для коагуляции, вязкость увеличивается и золь превращается в гель.

Гель — состояние системы, в котором частицы связаны между собой. При этом образуется пространственная сетка, ячейки которой заполнены жидкостью. Гели — связнодисперсные системы, обладающие пространственной структурой.

Старение — самопроизвольный процесс укрупнения частиц в лиофобных коллоидных системах (автокоагуляция). Старение происходит под влиянием химических и физических процессов, протекающих во времени. Процессу коагуляции препятствуют электрический заряд коллоидных частиц, сольватация их поверхности или адсорбция на ней молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ), например белков (коллоидная защита).

Продукт коагуляции лиофобных золей (осадок, или гель) может быть переведен в диспергированное состояние (исходное) действием внешних факторов: добавлением электролитов, ПАВ, изменением температуры и др. Этот процесс противоположен коагуляции и получил название пептизации.

Пептизация — процесс расщепления укрупненных частиц на исходные с образованием золя. Вещества, вызывающие переход геля в золь, называются пептизаторами. Обычно пептизаторами являются электролиты — один из ионов электролита (ион-пептизатор). Иногда пептизаторами являются растворители, растворы ПАВ, высокомолекулярных веществ (ВМС).

Для пептизации осадка достаточно, чтобы 10—20% площади пептизируемого осадка было покрыто пептизатором.

Защитное действие пептизаторов. Пептизаторы могут применяться для повышения устойчивости золей, предупреждения старения. Для примера рассмотрим коллоид золота. Если к красному коллоидному раствору золота добавить электролит NaCI, то ионы натрия приблизятся к ионам, адсорбированным на ядре коллоидного золота, заряд гранулы снизится, начнется скрытая коагуляция, а затем явная — выпадение осадка. Система постепенно начнет приобретать синее окрашивание.

При добавлении желатина (пептизатор) к золю золота он образует защитную пленку вокруг коллоидных частиц золота, кроме того, поверхность желатина адсорбирует молекулы воды, обеспечивая частицам дополнительную защиту. В этом случае после добавления электролита NaCl заряд частиц золя золота нейтрализуется недостаточно и они не осаждаются. Цвет коллоида остается красным.

Ребиндер с сотрудниками изучал пептизирующее действие органических поверхностно-активных веществ на минералы, входящие в состав цементов. Адсорбируясь из раствора на поверхности зерен цемента, молекулы поверхностно-активных веществ проникают в микрощели поверхности. При этом образуются адсорбционные слои, проявляющие свое расклинивающее действие, это приводит в конечном итоге к разрыву минералов на частицы коллоидных размеров.

Защитное действие пептизаторов широко применяют в различных областях: пищевой промышленности, фармацевтической, производстве косметических товаров, пестицидов для защиты растений от болезней и вредителей. Например, берется глина, диспергируется в воде, стабилизируется пептизатором (жирная кислота или ПАВ), и полученный коллоид продается в качестве инсектофунгицида. Ранней весной деревья и кустарники обрабатываются этим коллоидом и все личинки, паразиты и грибки гибнут от недостатка кислорода.

Синерезис гелей — это самопроизвольный процесс старения, сопровождающийся разделением геля на две фазы — дисперсную и дисперсионную. Объем геля уменьшается, а выделяющаяся жидкость (дисперсионная среда) является очень разбавленным раствором дисперсной фазы. При этом оставшийся гель продолжает сохранять форму сосуда, в котором находился до синерезиса. Примеры синерезиса: черствение хлеба, отделение жидкой фазы в желе и мармеладе, разделение простокваши на сыворотку и творог. При синерезисе увеличивается число контактов частиц дисперсной фазы, что приводит к упрочнению геля с одновременным повышением его эластичности и упругости. У гелей высокомолекулярных соединений (студни ВМС) процесс синерезиса обратим. Иногда достаточно нагревания, чтобы вернуть гель, претерпевший синерезис, в исходное состояние (нагревание черствого хлеба, каши, пюре и т. п.).

Вредное действие оказывает синерезис в производстве многих строительных материалов. Он снижает долговечность зданий и сооружений, ускоряет процессы коррозии бетона, способствует старению полимерных материалов.

Тиксотропия — это процесс изотермического обратимого перехода золь — гель. Иногда структуру геля можно разрушить встряхиванием (например, различные краски).

Изотермически обратимый процесс восстановления механически разрушенной структуры, т. е. переход геля в золь при механическом воздействии и обратный переход золя в гель при спокойном состоянии называется — тиксотропией. Явление тиксотропии встречается в природе: например, тиксотропная почва под влиянием производимого механического воздействия становится текучей. Такие грунты называются плывунами, они затрудняют строительные работы.

Явление тиксотропии может быть использовано в строительном деле для создания временных опор, перегородок, для частичного возвращения полузатвердевшему цементу вяжущих свойств, что достигается встряхиванием или перемешиванием его до разжижения. Обычно после прекращения перемешивания коллоидный раствор повторно формирует коагуляционную структуру.