Возникновение и особенности структур в коллоидных системах

Согласно П. А. Ребиндеру, структуры в коллоидных и микрогетерогенных системах можно разделить на коагуляционные (тиксотропно-обратимые) и конденсационно-кристаллизационные (необратимо-разрушающиеся).

Коагуляционные структуры. Образуются в том случае, когда под действием каких-либо причин агрегативная устойчивость коллоидной системы несколько снижается, но не теряется полностью. Если коллоидные частицы имеют форму палочек или вытянутых пластинок, то частичное снижение агрегативной устойчивости обозначает уменьшение толщины ионного слоя или сольватной оболочки мицеллы. В результате частицы соединяются своими концами, образуя пространственную сетку-структуру. Дисперсионная среда находится в ячейках этой сетки.

Переход коллоидного раствора из свободнодисперсного состояния в связнодисперсное называется гелеобразованием, а образующиеся при этом структурированные коллоидные системы – гелями. Вид такой структуры схематически изображен на рис. 10.1. На гелеобразование может влиять ряд факторов: прибавление электролита, увеличение концентрации золя, понижение температуры. С увеличением концентрации электролита снижается агрегативная устойчивость; увеличение концентрации золя ведет к росту числа контактов между частицами; с понижением температуры снижается интенсивность броуновского движения и, следовательно, повышается устойчивость пространственных мицеллярных структур.

Специфическим свойством коагуляционных структур является тиксотропия – способность структур после их разрушения в результате какого-нибудь механического воздействия самопроизвольно восстанавливаться во времени (обратимое превращения золя в гель). Сущность тиксотропии заключается в том, что связи, которые были разрушены при механическом воздействии, восстанавливаются в результате случайных удачных соударений частиц, находящихся в броуновском движении. Явления тиксотропии часто встречаются в природе. Во многих случаях группы, в обычных условиях достаточно твердые, легко разжижаются при вибрациях или ударах (плывуны, оползни).

Рис. 10.1. Строение пространственных структур, образующихся в лиозоле при астабилизации:

1 – частицы дисперсной фазы; 2 – участки поверхности частиц, лишившиеся фактора устойчивости; 3 – участки поверхности частиц, сохранившие фактор устойчивости; 4 – петли структуры, заполненные дисперсионной средой

В технике часто используют тиксотропные свойства систем, например при бурении нефтяных скважин. Глинистые растворы прокачивают через скважину для промывания и удаления частиц измельченной выбуренной горной породы. Благодаря тиксотропным свойствам этих растворов предупреждается осаждение частиц породы в скважине и заклинивание бурового инструмента при временной остановке бурения.

Системам с коагуляционными структурами очень часто присуще явление синерезиса – самопроизвольное уменьшение размеров геля с одновременным выделением из него дисперсионной среды, содержащейся в петлях геля. Причина синерезиса в том, что при гелеобразовании между элементами структуры образуется сравнительно малое число контактов. Затем в результате перегруппировки частиц, обусловленной их тепловым движением, число этих контактов увеличивается, что приводит к сжатию геля и выпрессовыванию из него дисперсионной среды.

Конденсационно-кристаллизационные структуры. К этому типу относятся структуры, у которых связи между частицами образованы за счет химических сил. Эти структуры возникают либо в результате образования прочных химических связей между частицами (конденсационные структуры), либо вследствие сращивания кристалликов в процессе выкристаллизовывания новой фазы (кристаллизационные структуры). Такие структуры не могут проявлять тиксотропии, пластичности, эластичности, их прочность выше, чем у коагуляционных структур.

Типичной конденсационной структурой является гель кремниевой кислоты. Кристаллизационные структуры образуются при твердении минеральных вяжущих веществ в строительных материалах на основе цемента, гипса, извести.