Потенциальные кривые. 
Коллоидная химия

Общую энергию взаимодействия между двумя параллельными пластинами, приходящуюся на единицу площади, в соответствии с уравнением (7.4) можно получить простым сложением рассмотренных выше уравнений.

Для области малых потенциалов суммарная энергия взаимодействия равна

При больших потенциалах и расстояниях между пластинами эта энергия определяется уравнением

Приведенные уравнения определяют поведение дисперсных систем. Их устойчивость и скорость коагуляции зависят от знака и значения общей потенциальной энергии взаимодействия частиц.

Ранее было показано, что положительная энергия отталкивания Uj (h) с увеличением расстояния уменьшается по экспоненциальному закону, а отрицательная энергия притяжения Uу (А) обратно пропорциональна квадрату расстояния. При сближении частиц, А 0 на малых расстояниях энергия электростатического взаимодействия стремится к некоторому постоянному значению.

На малых расстояниях между частицами при U^ —> const; энергия молекулярного притяжения, наоборот, стремится к минимуму U ^ -«-оо. На больших расстояниях между частицами экспонента убывает значигель;

но быстрее, чем степенная функция. В результате на малых и больших расстояниях мсжлу частицами преобладает энергия притяжения, а на средних расстояниях — энергия отталкивания.

Различают гри наиболее характерных вида потенциальных кривых, отвечающих определенным состояниям агрегативной устойчивости дисперсных систем (рис. 7.2).

Первичный минимум I отвечает непосредственному слипанию частиц, вторичный минимум II — их притяжению через прослойку среды. Максимум, соответствующий средним расстояниям, характеризует потенциальный барьер, препятствующий слипанию частиц. Силы взаимодействия могут распространяться на расстояния до сотен нанометров, максимальное значение энергии при этом достигает 0,01 Дж/м² и более.

Увеличению потенциального барьера способствует рост потенциала на поверхности частиц (р^ в области его малых значений. Из опыта известно, что уже при (р^ ~ 20 мВ возникает потенциальный барьер, обеспечивающий агрегативную устойчивость дисперсной системы.

Рис. 7.2. Зависмость энергии электростатического отталкивания (/-,(//), энергиимолекулярного притяжения U_M(h) и суммарной энергии взаимодействия частиц (пластин) от расстояния Кривая I соответствует такому состоянию дисперсной системы, при котором на любом расстоянии между частицами энергия притяжения преобладает над энергией отталкивания. Для такого состояния характерна быстрая коагуляция с образованием агрегатов (в жидкостях и газах это коалссценция).

Кривая II при достаточно высоком потенциальном барьере имеет вторичный минимум. В системах, находящихся в таком состоянии, происходит быстрая флокуляция частиц на расстояниях соответствующих вторичному минимуму. Частицы во флоккулах не имеют непосредственного контакта и разделены прослойками среды. Такое состояние допускает обратимость системы, после коагуляции возможна пептизация после устранения вторичного минимума.

Кривая III отвечает состоянию системы с высоким потенциальным барьером при отсутствии вторичного минимума. Вероятность образования агрегатов частиц в таких условиях очень мала и дисперсные системы обладают агрегативной устойчивостью.

Суммарная потенциальная кривая (энергетическая диаграмма) лежит в основе одной их классификаций структур, предложенной П. А. Ребиндером. Многообразие свойств структур в дисперсных системах по П. А. Ребиндеру можно разделить на два основных класса:

• — конденсационно-кристаллизационные (минимум I);
• — коагуляционное (минимум 11).

Конденсационно-кристаллизационные структуры характерны для связнодисперсных систем с твердой дисперсионной средой, обладающих прочностью, хрупкостью и неспособностью восстанавливаться после разрушения.

Под коагуляционными понимают структуры, которые образуются при коагуляции частиц дисперсной фазы. Обычно они имеют жидкую дисперсионную среду и для них характерна способность восстанавливать структуру после ее механического разрушения (тиксотропия). Взаимодействие частиц в таких системах, осуществляемое через прослойки дисперсионной среды, является исключительно ван-дер-ваальсовым, поэтому каркас структуры не может отличаться высокой прочностью. Механические свойства коагуляционных структур определяются свойствами частиц и особенностями межчастичных связей и прослоек среды, для них характерны вязкость и пластичность (эластичность). Коагуляционные структуры связаны со II минимумом на потенциальной кривой и отвечают безбарьерной коагуляции на дальних расстояниях. Процессы структурирования в них обратимы, под действием механических нагрузок такую структуру можно разрушить, но механизм такого разрушения иной, чем в телах со структурой конденсационно-кристаллизационного типа.

Самопроизвольный переход от коагуляционного типа структуры к конденсационно-кристаллизационному называется синерезис и связан со старением системы. Явление синерезиса часто наблюдается в технологических процессах, например, ухудшение качества кондитерских изделий со временем.

Реальные тела обладают разнообразной структурой, которая не позволяет делить дисперсные системы четко на два класса. Существует множество промежуточных состояний систем, однако классификация по П. А. Ребиндеру помогает связать механические свойства тел с их строением.