Коллоидтардың тұрақтылығы

Коллоидты системаның тұрақтылығы коллоидты химиядағы өзекті мәселелердің бірі. Лиофобты коллоидты системаның тұрақтылығы Н. Песковтың пікірі бойынша, дисперсті фаза мен дисперстік ортаның болуымен қатар, тұрақтандырушы заттың қатысуына да байланысты. Ерітіндіде еріген күйде кездесетін тұрақтылықтың негізгі міндеті бөлшек айналасында слольватты қабақ тудыру болып табылады. Ал П. Ребиндердің ойынша ондағы сольваттық қабаттың пайда болуы коллоидты ерітіндінің ұюына механикалық тұрғыдан бөгет жасайды. Коллоидты ерітінділердің сольваттығын арттыратын, яғни оны лиофилдейтін процесс зольдердің тұрақтылығын арттырады. Коллоидты ерітіндінің ұюын тудыратын электролиттің ең аз концентрациясын ұю табалдырығы дейді және ол моль/л-мен өлшенеді. Лиофобты зольдердің тұрақтылығын тәжірибе кезінде алынған мәліметтерге сәйкес сан жағынан сипаттайтын қатынас физикалық теория негізінде алынды. Бұл терия бойынша коллоидты системаның мән-жайы бөлшектердің тартылыс және тебіліс күштерінің қатынасымен анықталады.

Тұрақтылықтың физикалық теориясы және электролитттердің ұйытуы. Екі бөлшектің ара қашықтығын өзгергендегі оған байланысты осы бөлшек араларындағы әрекеттесу энергиясының тәуелділігін талдап, қарастырайық. Ол үшін, осы ара қашықтыққа функция ретінде тартылу энергиясы мен тебілу энергияларын жеке сипаттайтын график тұрғызу керек. Ал осы әрекеттесудің жалпы энергиясын табуға болады. Мұндай графиктер 5-суретте көрсетілген және оларды көбінесе потенциалдық қисықтар деп атайды. Оларды тұрғызғында тебіліс энергиясы оң деп, ал тартылу энергиясы теріс деп есептеледі.

Коллоидты ерітіндідегі мицеллалардың аралары қашық болғанда, ионды атмосфера-ның диффузиялық қабаты бірін-бірі баспайды, тіпті түйіспегендіктен де тебілу күштері байқалмайды. Ал ионды атмосфера біріне-бірі түйісіп, тіпті біріне-бірі көмкеріледі, кері аттас иондар арасында электростатистикалық әрекеттесу туындап, иондар қайтадан тартылады. Мицеллалар біріне-бірі жақындағанда пайда болатын тебілу күштерінің табиғаты жай кулондық әрекетттесуден әлдеқайда күрделі. Б. Дерягин сыналы қысым деп аталатын ерекше тектегі күштердің пайда болатынын көрсетті.Тебіліс энергиясымен байланысты болатын сына- қысымды есептемегенде зарядталған және паралле- льді орналасқан үлкен екі пластинаны үлгі етіп алған жөн. Осы екі пластина арасында системаның қалғанкөлемімен байланысқан өте жұқа сұйық қабат бар. Ал осы екі пластинада Р қысымының әсерінен ұсталып Ондағы қабаттардың механикалық тепе-теңдікте бо луының басты шарты екі күштің абсолют мәнінің теңдігі: dP – бірлік өлшемдегі ауданға қатынаст сыналы қысым күші және pdφ – электростатистикалық әрекеттесу күші, ол да бірлік өлшемдегі ауданға қатынасты. Бұл екі күштің бағыты біріне-бірі кері болғандықтан:

dP + pdφ = 0 (53)

Пластинаның L аралығындығы қысымды P_L, ал бүкіл көлемдегі қысымды P₀ арқылы белгілесек, сынгалы қысым осы екі қысымның айырымына теңелетінің көреміз:

П = P_L - P₀ (54)

Екі пластина ортасындағы потенциал φ; бүкіл көлемдегі потециал нөл болғандықтан, (53) теңдеуді интегралдап

L

П = P_L - P₀ = ∫ pdφ (55)

екенін алады.

Ондағы заряд тығыздығын физикадан белгілі теңдеуді пайдаланып табады. Мұндай жағдайда, ерітіндідегі бинарлы электролит заряды z болатын иондарды құрастырады делік. Көрсеткіштік функцияны қатарға жіктей келіп және ондағы бірінші мүшелермен шектелсек:

p = -2zFC zF /RT φ (56)

^L

П = - ∫ 2zFC zF/RT φ = (zF φ_L)² / RT C (57)

Тебіліс потенциалы эгнергиясын (U₀) келесі теңдеумен есептеуге болады:

U₀ = 2 ∫ Пdl (58)

Б.Дерягин шәкірттерімен бірге, судағы электролит ерітіндісінің екі жақты жұқа қабатта туындайтын сыналы қысымды тәжірибе кезінде өлшеді. Ерітінді концентрациясы төмен болған жағдайда (6) теңдеу дұрыс нәтиже көрсетеді. Сондай-ақ, олар шар тәрізді екі бөлшек арасындағы тебіліс энергиясында есептеп шығарады.

Золь тұрақтығына едәуір ықпал ететін екінші тектегі күш – бөлшектердің арасындағы өзара тартылыс күші. Олардың табиғаты бейтарап молекулалар арасындағы әсер етуші күштердікіндей. Мұндай күштердің болуын пайдаланып, Ван-дер-Ваальс нақтылы газдар мен сұйықтың қасиеттерін түсіндірді. Молекулааралық күштердің пайда болуы дипольдердің әрекеттесуімен байланысты. Осы бағытқа арнайы жүргізілген есептеулер көрсетіп отырғандай, ара қашықтық қысқарғанда тартылу күшінен гөрі, тебіліс күші біршама жай кемиді; ал ара қашықтық алыстағанда тебілу күші басым болса, қысқарғанда тартылу күші артады. Осылайша әрекеттесуші энергия қисығының орташа көрсеткіші орташа қашықтық кезінде барынша артық, яғни максимум болады. Бұл максимум молекулалар өзара бірігіп, жабысу үшін асып түсетін кедергі іспеттес. Потенциалды қисықтың абцисса осімен бірігуі тез ұю құбылысының бастапқы кезеңіне сәйкес болады. Осындағы бөлшектердің әсерлі қақтығысуы бола алатындай бірден-бір тиімді концентрация мәнін теориялық тұжырымдау тұрғысынан Б. Дерягин мен Л. Ландау қарастырып, келесі теңдеуді ұсынды:

С_k = А (kТ)⁵/е⁶ z⁶ (59)

мұндағы А – тұрақты шама, ол катион зарядының анион зарядына қатынасы мен диэлектрлік сіңіруге тәуелді; k – Больцман тұрақтысы; е – электрон заряды; z – ұйытушы ионның валенттілігі; С – ұйытушы электролит концентрациясы.

Соңғы теңдеу Шульц-Гарди ережесінің теориялық тұрғыдан алғандағы түсіндірмесі және ол тәжірибе кезінде алынған мәліметтермен сәйкес келеді.

Б. Дерягин шәкірттерімен бірге, электролиттердің кризистік концентрациясына әртүрлі факторлардың ықпалын жан-жақты қарастырды. Соңғы кездегі зерттеулерге қарағанда бұл шама зольдегі бөлшек өлшеміне және үлкен радиуске, аз концентрацияға сәйкес екен.

Структуралық-механикалық тұрақтылық. Дисперсті системаның тек полюсті системадағы ғана емес, сондай-ақ оның көмерсутекті ортадағы тұрақтылық проблемасын П. Ребиндер мен оның ғылыми мектебі қарастырып келеді. Лиофобты системаның тұрақтылығын арттырудағы барынша жалпы жай, ол бөлшектің беткі қабатында мейлінше берік адсорбциялық қабаттың пайда болуын немесе дисперстік ортаның едәуір берік структурасын құрайды. Мұндағы бірінші жағдайға орай, пайда болатын адсорбциялық қабат бөлшектерді бір-біріне жақындатпайтын механикалық кедергі болатындықтан да, онда коллоидты ерітіндінің ұю құбылысы жүзеге аспайды. Сонда, бұл системадағы бөлшектердің кездесуі жылулық қозғалыс әсерінен адсорбциялық қабаттардың тек серпімді ғана қақтығысуына саяды. Ал, екінші жағдайда, системада пайда болған структуралық тор бөлшек қозғалысын шектейді екен.

Өзінің құрамына әрі мықты адсорбциялық қабаттардың пайда болуын, әрі көлемдік структураның туындауіын қосатын структуралық-механикалық тұрақтылықтың көмегімен зольдерге электролиттердің енуіне сезімтал қабілет беруге болады. Су системасындағы жақсы әсер етуші тұрақтандырушылар, ол белоктар мен олардың жартылай гидролиз кезіндегі өнімдері. Зольдерге полисахаридтерді, синтетикалық полимерлерді қосу арқылы олардың тұрақтылығын арттыруға болады.

Су ерітіндісіндегі түрлі заттардың тұрақтандырушы әсерін салыстыру үшін көптеген тәжірибелер жүргізілді. Үлгі ретінде алтын және конго-рубин зольдері алынды. Ұюдан қорғайтын әсердің өлшемі ретінде зольдің белгілі көлемдегі мөлшері, ұйымайтын қорғаушы заттың саны қабылданды. Мысалы, 10 см³ колоидты ерітіндіні ұюдан қорғау үшін белгілі концентрациядағы электролиттің мөлшерін, айталық 1 см³ 10 %-тік натрий хлоридін қосу керек. Осы санды қорғаушы сан деп атайды. Сол секілді алтын мен конго-рубин зольдерін ұюдан қорғайтын затты миллиграммен өрнектеп, оны алтын және рубин сандары деп атайды.

Желатин, натрий казеинаты, альбуминдер және сол сияқты зольде ұюдан қорғаушы заттардың арасында сапалық ерекшеліктер бар екен. Мысалы, желатин мен гемоглабинді салыстырсақ, оның алтын саны 6 есе артық, ал рубин саны керісінше 3 есе кем екен. Әйтсе де бұлардың бәрі золь қасиеті әр түрлі болғандықтан оны ұюдан қорғаушы затқа сипаттама болмайды. Белоктардың, полисахаридтердің және басқалардың қорғаушы қасиеті жоғары дисперсті суда еритін дәрі-дәрмектерді әзірлегенде жиі пайдаланылады. Полюсті емес ортадағы зольдерді ұюдан қорғау үшін, дисперстік ортаға көп валентті металдардың сабынын, жоғары молекулалық қосылыстарын қосады. Бұл әдіс бензолдағы, толуолдағы және басқа да көмірсутекті ортадағы металдардың және оксидтердің тұрақты золін алу үшін жиі пайдалынылады.