Коллоиды и межфазные границы

Коллоиды представляют собой дисперсии частиц размером от нанометров до микрометров, огромная межфазная площадь которых и действующие на ней силы определяют, остаются ли они стабильными или агрегируют.

Definition

Коллоиды — это гетерогенные системы, в которых частицы одной фазы, промежуточные по размеру между молекулами и макроскопическим веществом, диспергированы в другой, а межфазные границы между ними контролируют стабильность и свойства системы.

Scope

Эта тема охватывает коллоидные системы и межфазные границы в них: классификацию коллоидов на золи, эмульсии, пены, гели и аэрозоли; оптические и транспортные свойства, такие как эффект Тиндаля и броуновское движение; и силы, управляющие стабильностью, включая ван-дер-ваальсово притяжение, отталкивание электрического двойного слоя и стерическую стабилизацию. В ней развивается теория ДЛФО стабильности коллоидов, процессы флокуляции и коагуляции, а также роль дзета-потенциала. Самоорганизация поверхностно-активных веществ и детальная структура заряженных межфазных границ рассматриваются в смежных темах.

Core questions

• Как классифицируются коллоиды и что придает им характерные свойства?
• Какие силы действуют между коллоидными частицами через промежуточную среду?
• Как теория ДЛФО объясняет коллоидную стабильность и флокуляцию?
• Как электростатические и стерические механизмы поддерживают стабильность дисперсий?

Key concepts

• Классификация коллоидов
• Эффект Тиндаля и броуновское движение
• Силы Ван-дер-Ваальса и двойного слоя
• Теория ДЛФО
• Флокуляция, коагуляция и дзета-потенциал

Key theories

Теория ДЛФО

Взаимодействие между заряженными коллоидными частицами представляет собой сумму притягательных ван-дер-ваальсовых и отталкивающих вкладов электрического двойного слоя; результирующий энергетический барьер определяет, агрегируют ли частицы, а добавление соли снижает барьер за счет экранирования отталкивания.

Стерическая и электростатическая стабилизация

Дисперсии остаются стабильными либо за счет одноименных зарядов на поверхностях частиц, которые отталкиваются друг от друга, либо за счет адсорбированных полимерных слоев, которые препятствуют перекрытию, — это два основных механизма, используемых для предотвращения коллоидной агрегации.

Clinical relevance

Коллоидная наука управляет стабильностью и составом красок, чернил, пищевых продуктов, косметики и систем доставки лекарств, осветлением воды и сточных вод, поведением глин и почв, а также многими биологическими дисперсиями, при этом контролируемая флокуляция играет центральную роль в разделении и очистке.

History

Грэм ввел термин «коллоид» в 1861 году, а в начале двадцатого века Эйнштейн и Перрен установили молекулярную природу коллоидного броуновского движения; теория ДЛФО, разработанная независимо Дерягиным и Ландау, а также Фервеем и Овербеком в 1940-х годах, дала количественную основу стабильности коллоидов.

Key figures

• Thomas Graham
• Boris Derjaguin
• Jan Theodoor Gerard Overbeek

Seminal works

• israelachvili2011
• adamson1997

Frequently asked questions

Почему добавление соли часто приводит к слипанию коллоида?

Растворенные ионы экранируют электростатическое отталкивание между заряженными частицами, сжимая электрический двойной слой; как только отталкивающий барьер достаточно снижается, преобладают притягательные ван-дер-ваальсовы силы, и частицы флокулируют и оседают.

Что делает луч света видимым при прохождении через коллоид?

Коллоидные частицы достаточно велики, чтобы рассеивать свет, вызывая эффект Тиндаля; истинные растворы, частицы растворенного вещества в которых имеют молекулярный размер, рассеивают свет незначительно, что является одним из способов отличить коллоид от раствора.