16.3. Коллоидтық ерітінділердің тұрақтылық теориясы
Дисперсті жүйелердің тұрақтылық теориясының негізгі мәселесі дисперстік бөлшектердің бірігу себептері мен механизмін және агрегацияға кедергі жасайтын факторларды анықтауда. Мұндай теорияны гидрофобты зольдер үшін 1940 ж. Б.В. Дерягин мен Л.Д. Ландау, кейінірек 1946 ж. Э. Фервей мен Т.Овербек ұсынды. Әдебиетте бұл теория ДЛФО (DLVO) теориясы деп аталады.
Электролит ерітіндісінің жұқа қабыршығы арқылы бөлінген екі дисперстік бөлшекке әсер ететін күштерді есептеу ДЛФО теориясының негізгі орынын алады. Теорияның басты қағидасы – бөлшектерге екі ғана күш әсер етеді. Біреуі (fd) – бөлшектердің тартылуы; мұндай күшті дисперсиялық әрекеттесулер туғызады. Екіншісі (fe) – бөлшектердің электрлік тебісуі, ол бірдей беттік зарядта пайда болады. Осы күштердің қатынасына байланысты коллоидтық ерітіндінің сипаты екі түрлі болуы мүмкін.
Егер тартылу күші басым болса, дисперстік бөлшектер бір-іріне жақындайды, олардың арасында контакт пайда болып, бөлшектер ірі агрегатқа бірігеді, яғни мұндай жағдайда коагуляция прцесінің элементтік акті орындалады.
Егер электрстатикалық күш басым болса, бөлшектер бірігетіндей қашықтыққа жақындай алмайды да коагуляция жүрмейді.
Яғни ДЛФО теориясында дисперсті жүйенің тұрақтылығын қамтамасыз ететін негізгі фактор болып дисперстік бөлшектердің электрстатикалық тебілуі болып табылады.
Коагуляция жағдайын есептеу үшін қосымша шарттар қабылданады. Біріншісі – бөшектердің формасы призмалық және олар қалыңдығы h болатын жазық параллель қабыршықпен бөлінеді. Екіншісі – бөлшектер қабыршыққа қатысты перпендикуляр бағытта қозғалады және бөлшектерге жоғарыдағы екі күш қана әсер етеді. Яғни броундық қозғалыс ескерілмейді. Тұрақтылық шарттарын есептеу үшін тартылу және тебісу күштерінің орнына олардың энергияларын алған қолайлы.
Табақша (пластина) формасындағы бөлшектердің әрекеттесу энергиясы
теңдеуімен анықталады, мұндағы ε0 – электрлік тұрақты; ε – дисперсиялық ортаның салыстырмалы диэлектрлік өтімділігі; φδ – диффузиялық қабаттың электрлік потенциалы; ϰ – диффузиялық қабаттың қалыңдығына кері шама; А* – Гамакер константасы.
Жазық параллель табақшалардың әрекеттесу энергиясы Дж/м2 бірлігінде есептеледі. Теңдеудегі А* тұрақтысы дисперстік бөлшектер мен дисперсиялық ортаның табиғатын бейнелейтін күрделі константа. Екі фазалық жүйелер үшін оны
қатынасы арқылы жазуға болады, мұндағы А1 – дисперстік фазаның гамакер константасы; А2 – дисперсиялық ортаның Гамакер константасы; А12 – дисперсті фаза мен дисперсиялық ортаның өзара әрекеттесуін көрсететін константа.
Табақшалы бөлшектердің арақашықтығы ( мен потенциалдарының үлкен мәндерінде олардың әрекеттесу энергиясы
теңдеуімен анықталады, мұндағы с0 – дисперсиялық ортадағы қарсы иондардың концентрациясы; ; z – қарсы иондардың заряды.
Дисперсті жүйелердегі бөлшектердің беті көбінесе қисық болады (сфералық, эллипсоидтық, цилиндрлік формадағы бөлшектер). Осындай бөлшектердің әрекеттесуін қарастырғанда олардың бір-біріне қарай орналасуы мен қисықтық радиусын ескеру керек. Сондықтан сфералық бөлшектердің әрекеттесу энергиясын
теңдеуі бойынша есептеуге болады. Бұл теңдеуді бөлшектердің радиусы диффузиялық қабаттың қалыңдығынан ( айтарлықтай үлкен болғанда ғана қолданылады.
. (16.12)
U=f(h) тәуелділігінің графиктік түрі 58-суретте келтірілген.
Тебілу мен тартылу күштерінің таңбалары және олардың сұйық қабыршық қалыңдығына тәуелділіктері әртүрлі. Тебілу күші экспоненциалды заңға, ал тартылу күші – дәрежелік заңға сәйкес өзгереді.
Сондықтан аз қашықтықта (h→0) тартылу басым жүреді (Ud→∞). Үлкен қашықтықтарда да тартылу басым болады, себебі 1/h2 дәрежелік функциясы экспонентаға (exp(-κh)) қарағанда баяу кемиді. Орташа қашықтықтарда U=f(h) қисығында максимум пайда болады. Ол бөлшектердің жақындауы мен бірігуіне кедергі жасайтын энергиялық (потенциалдық) тосқауылды құрайды. Бұл тосқауылдың биіктігі неғұрлым үлкен болса, соғұрлым коллоидтық ерітіндінің агрегаттық тұрақтылығы жоғары болады.
Теңдеу мен графиктің талдауы дисперсті жүйе сипатының үш жағдайын қарастыруға мүмкіндік туғызады.
І. Егер тосқауыл биіктігі мен екінші минимумның тереңдігі айтарлықтай болмаса (≤ kT), бөлшектер бір-біріне жақындап, жүйенің энергиясы U бірінші минимумның тереңдігіне сәйкес мөлшерге (шамаға) жетеді. Яғни коагуляция жақын әрекеттесу нәтижесінде, бірінші шұңқырдың жеткілікті тереңдігінде жүреді.
Мұндай жүйелер тұрақсыз болады және көптеген жағдайда коагуляция қайтымсыз жүреді, себебі бірінші минимумның тереңдігі kT мәнінен анағұрлым үлкен.
ІІ. Егер тосқауыл биіктігі жоғары (>>kT), ал екінші минимумның тереңдігі аз болса (≤ kT), бөлшектер бөгеуден өте алмай бір-бірімен әрекеттеспей алшақтап кетеді. Мұндай жағдай агрегатты тұрақты жүйеге тән.
ІІІ. Егер екінші минимум өте терең (жеткілікті) болса, онда бөгеу биіктігіне қарамастан екі бөлшектің алыс әрекеттесуі орын алады (жүреді) (2h≈102 нм). Мұндай кезде өзгеше иілгіш байланыс түзіледі – екі бөлшек не алшақтап кетпейді, не бірікпейді, «жұп» күйінде броундық қозғалысқа сонымен қатар байланыс бойымен тербелмелі қозғалысқа ұшырайды. Бұл жұпқа басқа бөлшектер қосылып, «үштіктер» және одан да күрделі құрылымдар түзілу мүмкін. Мұндай үлкен қашықтықта байланысқан бөлшектер фазалық тұрақтылыққа ие болып, жүйе өзінің дисперстілігі мен меншікті ауданын сақтап қалады.
Достарыңызбен бөлісу: |
