Устойчивость коллоидных систем. Золи и Гели

Коллоидное состояние является метастабильным. В принципе, система стремится "уйти" из этого состояния, но из-за кинетических затруднений этот процесс может занять очень длительное время. Как правило, основной путь разрушения коллоидного состояния - это укрупнение частиц, в результате которого поверхностный избыток свободной энергии уменьшается. Коллоидным состоянием можно, до опреденной степени, управлять, поскольку существуют способы как стабилизировать коллоид, так и ускоренно разрушить его.

Вместо длинного и неудобного сочетания коллоидная система или коллоидный раствор часто употребляется короткое слово золь (sol). Большинство золей легко распознаются визуально, поскольку они обладают эффектом Тиндаля. Не вдаваясь в физику эффекта Тиндаля, скажем лишь, что при прохождении луча света через золь виден опалесцирующий световой конус или световой цилиндр (если кривизна конуса мала). Если вам приходилось видеть в слабоосвещенной комнате луч света, например, от проектора или фонаря, то это и есть визуальное проявление эффекта Тиндаля. В истинном растворе, частицы растворенного вещества которого более малы, чем у коллоидов, были бы видны лишь два световых пятна: одно - источник света (фонарь), а другое - изображение источника на экране или стенке. В коллоидной системе весь путь света будет заметен:

Вот так выглядит эффект Тиндаля в полуосвещенной комнате (и не говорите после этого о чистоте воздуха!). А вот так - в химическом стакане (в правом стакане истинный раствор, а в левом - золь):

В некоторых случаях золь может существовать годами. Но обычно он все-таки разрушается, причем обычно в этом процессе можно выделить две стадии:

1. Коагуляция - загустение. Если система "застревает" в коагулированном состоянии, из золя получается гель. Примером геля может служить обычное желе (именно от желе гель и получил свое название), кисель, холодец, начавшая загустевать краска, свернувшаяся, но еще не засохшая кровь на ранке. Частицы геля крупнее, чем частицы золя, обычно их размеры лежат в микронном диапазоне. Но связи между этими частицами еще достаточно слабы, поэтому гель обладает подвижностью.

2. Коалесценция (слипание) и высыхание. На этой стадии бывшая дисперсная фаза окончатльно приобретает самостоятельность, изгоняя из своей среды молекулы растворителя. Такую систему иногда называют ксерогелем (сухим гелем). Типичнейшим ксерогелем является, скажем, глинистая почва, высохшая от жары.

Одним из важнейших способов стабилизировать золь является добавка поверхносто-активных веществ (ПАВ или сурфактантов). Мыло, о действии которого мы говорили чуть раньше, является классическим сурфактантом. Молекулы сурфактанта всегда устроены таким образом, что служат своего рода посредниками между двумя фазами коллоидной системы. В результате их действия дисперсная фаза уже не так сильно отталкивается от растворителя, ее избыточная поверхностная энергия становится меньше, а система приобретает повышенную устойчивость. Коллоидную частицу в окружении молекул сурфактанта обычно называют мицеллой. Образование мицеллы стабилизирует коллоид сразу двумя спсобами: во-первых, слой молекул сурфактанта понижает избыточную поверхностную энергию коллоидной частицы. А во-вторых, если две мицеллы подходят близко друг к другу, оболочки сурфактанта не дают самим частицам соприкоснуться и слиться в одну:

К сурфактантам для систем вода - жир относится очень большое количество органических соединений (чаще всего, солей органических кислот). Для других систем поверхностно-активными свойствами могут обладать очень разные соединения. Например, недавно были получены экспериментальные доказательства того, что в расплавленном хлориде натрия поверхностную активность по отношению к системе "графит - расплав хлорида натрия" проявляет хлорид цезия CsCl (P.Baumli, G.Kaptay, Materials Science Forum Vol. 589 (2008) pp. 355-359).

Разрушение коллоидных систем происходит под действием очень разных факторов: нагревания, добавления электролитов, различных химических реакций. Существенно то, что экспериментатор часто может создать условия, когда коллоидная система может существовать, пока ему это нужно, а потом быстро быть разрушена подходящим способом. Это дает немало возможностей для синтезов, в том числе, наносинтезов, с использованием коллоидных систем.