Лиофобтық кірнелердің тұрақтылық факторлары

Тұ рақ тылық факторы немесе баяулату коэффиценті W жылдам коагуляцияның жылдамдық константасынан К_жк баяу коагуляцияның жылдамдық константасы К_бк неше есе аз екендігін кө рсететін шама:

Тұ рақ тылық факторларының негізгі бесеуін айтып ө тейік, олардың ішінде алғ ашқ ы екеуі маң ызды рө л атқ арады:

1. Тұ рақ тылық тың электростатикалық факторы;

2. Тұ рақ тылық тың адсорбциялы- сольваттық факторы;

3. Тұ рақ тылық тың қ ұ ралымды-механикалық факторы;

4. Тұ рақ тылық тың энтропиялық факторы;

5. Тұ рақ тылық тың гидродинамикалық факторы;

1. Тұ рақ тылық тың электростатикалық факторы. Оғ ан коллоидтық жү йеде Қ ЭҚ қ ос электрлік қ абат жә не дисперстік фаза бө лшектерінің бетінде потенциалының болуы себеп болады. Бө лшектердің ә рқ айсысы бірдей зарядталғ андық тан, олар ө зара жақ ындағ анда электростатикалық тебілу кү штерінің ә серінен бірін-бірі теуіп біріктейтіндіктен, жү йе тұ рақ тылық қ а ие болады.

Бұ л фактор дисперстік фазаның зарядты бө лшектеріне тұ рақ тандырудың негізгі факторы болып табылады. Мицелланың ә ртү рлі бө ліктерінің қ алдық тарын r_I, r_II, r_III, жә не r_IV, деп алайық. I - ол мицелланың агрегаты, II - агрегатқ а потенциал анық тағ ыш иондар адсорбцияланғ ан бө лігі, III - ол екінші бө лікке қ арсы иондардың адсорбцияланғ ан бө лігі, ал IV - ең соң ғ ы бө лік, яғ ни қ арсы иондардың диффузиялық қ абаты. (1-суретті қ ара)

Жабылу аймағ ы

Егер дисперстік фаза бө лшектерінің орбиталарының арасындағ ы қ ашық тық

r_x > 2(r_I+r_II+r_III+ r_IV) болса, онда мицеллалар ө зара жанаспайды, ендеше олардың арасындағ ы электрстатикалық тебілу кү штерінің шамасы ө те аз болады. Егер мицелланың IV бө ліктері ө зара жабысатын болса (яғ ни... суреттегідей диффузиялық қ абат ө зара...), онда жағ дай ө згеше болады. Ол егер r_x мынадай аралық та болғ анда жү зеге асады:

2(r_I+r_II+r_III) < r_x < 2(r_I+r_II+r_III+ r_IV).

Мицеллалардың IV бө ліктерінің ө зара жабылуы дисперстік фаза бө лшектерінің арасында электрстатикалық тебілу кү штерінің (F_тб) пайда болғ анын білдіреді, ө йткені ол бө лшектердің зарядтарының таң балары бірдей. Ә рине қ осымша электрстатикалық кү штердің болуы бө лшектердің бірігуіне кедергі жасайды, соның салдарынан Δ U-да, агрегаттық тұ рақ тылық та артады. Дисперстік фаза бө лшектерінің заряды кө п болғ ан сайын олардың артуы да кө п болады.

2. Тұ рақ тылық тың адсорбциялы-сольваттық факторы. Ол дисперстеуші ортаның дисперстік фаза бө лшектерімен ә рекеттесу нә тижесінде беттік керілудің тө мендеуінен болады. Бұ л фактордың ә сері ә сіресе стабилизаторлар ретінде коллоидтық бетті активтік БАЗ затты пайдаланғ анда кү штірек байқ алады.

Дисперстік жү йенің 2 сольватталғ ан (су болса гидратталғ ан) бө лшектерінің ө зара ә рекеттесуінің қ арапайым жағ дайын қ арастырайық (2-суретті қ ара). Дисперстік фаза бө лшектерінің сыртында сольваттық қ абаттар тү зіледі (лиофильдік жү йелер ү шін олар айтарлық тай созылың қ ы жә не тұ рақ ты болады). Ә рине оларды еріткіштің полярлы молекулалары тү зеді. Дисперстік фаза бө лшектерінде Ван-дер-Ваальстік тартылу кү штерінің ә серінен полярлы молекулалар 2 бө лшектерде де бетке бірдей бағ ыттылып (2-суреттегідей) орналасады.

Сольваттық қ абаттар

Дисперстік фаза бө лшектері тығ ыз жанасқ анда олардың арасында, яғ ни сольваттық қ абаттағ ы бірдей зарядты иондарының арасында, электрстатикалық тебілу (F_тб) кү штері пайда болады. Ә рине осы кү штердің артуымен потенциалдық тосқ ауыл да, агрегаттық тұ рақ тылық та симбатты тү рде артады. Сольваттық фактордың ә сері лиофильдік жү йелер ү шін жақ сы болады, ал лиофобтық коллоидтық ү шін ә лдеқ айда тө мен болады.

3. Тұ рақ тылық тың қ ұ ралымды-механикалық факторы. Ол дисперстілік тұ рақ тылық тың фаза бө лшектерінің бетінде бұ зуғ а уақ ыт пен энергия шығ ынын қ ажет ететін серпімділік пен механикалық мық тылық қ асиет кө рсететін қ абыршық тардың пайда болуынан болады. Тұ рақ тылық тың бұ л факторы стабилизатор ретінде ү лкен моллекулалық қ осылыстар (Ү МҚ) пайдаланғ анда жү зеге асады.

Дисперстік жү йелердің агрегаттық тұ рақ тылығ ын арттырудың ең тиімді тә сілдерінің бірі- қ ұ рылымды – механикалық фактор, оны алғ аш рет П.А. Ребиндер жан–жақ ты етіп қ арастырды. Бұ л фактордың мә ні дисперстік фаза бө лшектерінің бетінде тұ тқ ырлығ ы жоғ ары сірне тә різді қ абаттың тү зілуінде (3- суретті қ ара).

Бұ л қ орғ аушы қ абат БАЗ, полимерлердің молекулаларымен жасалуы мү мкін. Қ ұ рылымды – механикалық қ орғ аушы қ абатты жасауғ а қ абілетті келешегі мол полимерлерге суда еритін синтетикалық, табиғ и полиэлектролиттерді айтуғ а болады.

Жабылу аймағ ы ДФ бө лшектері

F_теб F_теб

Қ орғ аушы қ абаттар

3-сурет. Қ ұ рылымдық -механикалық қ абаттың сұ лбасы.

Оларғ а карбоксилметилцеллюлоза, белоктар, глюкозидтер жә не т.б. жатады.

Қ ұ рылымды – механикалық стабилизаторлардың (тұ рақ тандырғ ыш-тардың) ә сер ету тиімділігі қ орғ аушы қ абаттардың тұ тқ ырлығ ына, механикалық беріктігіне (мық тылыгына), қ орғ аушы қ абаттың сыртқ ы жағ ының лиофильдігіне, сондай-ақ қ орғ аушы қ абат пайда болатын ақ ауларды ө здігінен “жө ндеу” қ абілетіне тә уелді болады. Қ орғ аушы қ абаттың тұ тқ ырлығ ы мен механикалық беріктігі артқ ан сайын агрегаттық тұ рақ тылық та артады. Дисперстік фазада 2 бө лшегі ө зара жанасқ анда, ә сіресе тұ тқ ыр қ орғ аушы қ абаттары бірін – бір жапқ анда олардың арасында Ла-Шателье принципі бойынша тебілу кү штері (F_тб) пайда болады, ол энергетикалық тосқ ауылдың артуына себебін тигізеді. Ендеше, дисперстік жү йенің агрегаттық тұ рақ тылығ ы да симбатты тү рде ө згереді, яғ ни артады.

4. Тұ рақ тылық тың энтропиялық факторы. Коагуляция болғ анда жү йедегі бө лшектер саны азаяды, ендеше, энтропия да () азаяды. Ал ол болса, термодинамикадан білетініміздей, жү йенің еркін энергиясының () азаюына ә кеп соғ ады. Сондық тан жү йе ө здігінен бө лшектерді бір-бірінен тебуге жә не бірқ алыпты (хаосты тү рде) жү йе кө лемі бойынша таратуғ а ұ мтылады. Энтропиялық фактор осығ ан негізделген. Алайда коллоидтық ерітіндідегі бө лшектер саны, массалық концентрациясы дә л осындай, бірақ шынайы ерітіндімен салыстырғ анда ә лдеқ айда аз болады, сондық тан энтропиялық фактордың ә сері онша кө п болмайды. Бірақ, егер бө лшектер мейлінше ұ зын тізбегі бар жә не сондық тан кө п конформацияланатын заттармен (Ү МҚ) тұ рақ тандырылса, онда бө лшектер жақ ындағ анда олардың қ орғ ағ ыш қ абаттары ә рекеттеседі. Бұ л ә рекеттесу мү мкін болатын конформациялар санын азайтады, ендеше энтропияны азайтады. Сондық тан жү йе бө лшектері бір- бірінен тебілуіне ұ мтылады.

Бұ л фактордың 2 қ ұ рамдасы болады, олардың екеуі де бір бағ ытта “жұ мыс істейді” де, потенциалдық тосқ ауылды (Δ U) артуын, ендеше агрегаттылық тұ рақ тылық тың артуын болдырады.

1. Дисперстік фаза бө лшектерінің бірігуінің нә тижесінде олардың жалпы саны азаяды.Гиббс энергиясының энтропиялық қ ұ рамдасының тұ рғ ысынан дисперстік фаза бө лшектерінің бірігу ү дерісі тиімсіз, ө йткені ол жү йенің энтропиясын азайтады. Больцман ө рнегін еске алайық S= k lnW, мұ ндағ ы W - дисперстік жү йе жү зеге асатын тә сілдер саны. Дисперстік фаза бө лшектерінің санының N азаюы жү йедегі мү мкін болатын қ айта қ алыптасу санын азайтады, ендеше жү йенің жү зеге асатын тә сілдер санын (W) азайтады, ол Больцман тең деуі бойынша коллоидтық жү йенің энтропиясын (S) азайтады.

2. Дисперстік фаза бө лшектерінің тұ рақ тандырғ ышы ретінде полимердің макромалекулаларын қ олданады, бұ л жағ дайда 2 бө лшектің қ орғ аушы қ абаттары ө зара жабылғ ан кезде жанасу аймағ ында (3 – суретті қ ара) макромалекулаларының конформациялық ө згеруі болады.

Жанасу аймағ ы

Бө лшектердің қ орғ аушы қ абаттарының жанасу аймағ ында макромалекулалардың тиімді концентрациясының артуы байқ алады, соның салдарынан макромолекулалық шумақ тардың тиімділік ө лшемдері (R²)^0.5азаяды. Олардың азаюы W мен S–тің симбатты тү рде ө згеруіне алып келеді (екеуі де азаяды). Ле-Шателье принципі бойынша дисперстік жү йелер осы жағ ымсыз ү деріске қ орғ аушы потенциалдық тосқ ауылды арттырып қ арсы тұ руғ а ұ мтылады. Бұ л жоғ арыда айтылғ ан коллоидтық жү йелерді тұ рақ тандырудың энтропиялық факторының 2 қ ұ рамдасының ә серінен болады.

5. Тұ рақ тылық тың гидродинамикалық факторы. Оны дисперстеуші ортаның тығ ыздығ ы мен динамикалық тұ рақ тылығ ының артуы болдырады.

Кә дімгі реалды жағ дайларда, ә детте, бір емес, бірнеше фактор ә сер етеді. Ә р фактордың ө зіндік ерекшеліктері болады. Сол себепті тұ рақ тылық тың жалпы теориясын жасау да оң айғ а тү спейді. Дегенмен тұ рақ тылық пен коагуляцияның сапалық жә не сандық теориялары бар. Енді солармен танысайық.