Благодаря малому размеру коллоид­ных частиц общая площадь их по­верхности может быть очень велика. Отношение общей поверхности к массе частиц (оно называется удель­ной поверхностью S_уд ) резко возрас­тает при уменьшении размера частиц. Так, для капель воды диаметром 1 мкм S_уд = 6000 м²/кг, т. е. общая поверх­ность литра мелких водяных капель в 10 раз больше участка в шесть соток! Тончайший поверхностный слой всегда имеет более высокую энергию, чем вещество во внутреннем объёме тела. Ведь молекулы, расположенные на поверхности, взаимодействуют только с соседями снизу и сбоку, так что у них остаётся «неистраченная си­ла». Избыточная энергия, отнесённая к единице площади, характеризует поверхностное натяжение с. Вот поче­му коллоидные частицы обладают из­бытком энергии по сравнению с той же массой сплошного вещества. «Лиш­няя» энергия делает коллоидную сис­тему неустойчивой: в ней могут само­произвольно протекать процессы, ведущие к «сбросу» этого избытка. Подобное происходит, например, при уменьшении удельной поверхности. Значит, в коллоидной системе термо­динамически выгодны процессы ук­рупнения частиц. Они протекают по-разному для твёрдых частиц, капель и газовых пузырьков.

В коллоидной системе со временем устанавливается равновесие между процессами диффузии и седиментации.

Центрифуга — аппарат для механического разделения смесей под действием центробежной силы.

Благодаря поверхностному натяжению капля жидкости в свободном падении принимает сферическую форму.

*Адсорбция (от лат. ad — «на», «при» и sorbeo — «поглощаю») — поглощение какого-либо вещества поверхностным слоем другого вещества.

Капли в аэрозолях и эмульсиях, пу­зырьки в жидкости, совершая бро­уновское движение, периодически соприкасаются и сливаются в более крупные. Такой процесс носит назва­ние коалесценция {от лат. coalesco — «срастаюсь», «соединяюсь»). Твёрдые частицы, конечно, не могут слиться в одну. Они просто прилипают друг к другу, причём каждая сохраняет ис­ходную форму. Это называется коа­гуляцией (от лат. coagulatio — «сгуще­ние», «свёртывание»).

Коалесценция и коагуляция ведут к агрегации (от лат. aggrego — «при­соединяю»), т. е. укрупнению дис­персных частиц. Постепенно они становятся настолько большими, что особенности, присущие коллоидным системам, исчезают. Крупные капли и агрегаты твёрдых частиц или выпа­дают в осадок, или всплывают, если образующее их вещество легче дис­персионной среды. Общий итог — «гибель» коллоидной системы.

Для разного рода прикладных за­дач может оказаться важным как со­хранить коллоид (т. е. не позволить ему расслоиться на две фазы), так и разрушить коллоидную систему. На­пример, один из основных способов добычи нефти — вытеснение её из пласта нагнетаемой водой. При этом в добытой нефти часто содержится много воды в виде мельчайших ка­пель, т. е. она представляет собой вод­но-нефтяную эмульсию. Воду необхо­димо отделить, и для этого нужно разрушить эмульсию.

Проблемой устойчивости коллоид­ных систем занимались многие вид­ные учёные, среди них академики Борис Владимирович Дерягин (1902— 1994), Лев Давыдович Ландау (1908— 1968), Пётр Александрович Ребиндер. Они выявили два решающих физико-химических фактора устой­чивости. Первый из них — электриче­ский. Наличие у частиц зарядов оди­накового знака, положительного или отрицательного, создаёт электроста­тическое отталкивание, удерживаю­щее частицы далеко друг от друга. Так, для получения коллоидных частиц AgI необходимо проводить реакцию KI с AgNO₃ в разбавленных растворах

при избытке иодида калия. Это обес­печивает накопление ионов I^- на по­верхности только что образовавших­ся маленьких кристалликов AgI, и они приобретают отрицательный заряд. При стехиометрическом соотноше­нии реагентов кристаллики AgI полу­чаются незаряженными. Они слипа­ются, и коллоидная система быстро разрушается — иодид серебра выпа­дает в осадок.

Другой принцип стабилизации коллоидов основан на введении в них особых, так называемых поверх­ностно-активных веществ (ПАВ). Молекулы ПАВ состоят из двух частей с резко различными химическими свойствами: гидрофильной группы и гидрофобной — достаточно длин­ного углеводородного радикала. К ПАВ относятся спирты (начиная с пропилового), жирные кислоты и их соли (мыла), другие органические вещества. Одним из концов молекулы ПАВ прилипают к поверхности кол­лоидных частиц. Плотный слой этих молекул подобен тонкой, но прочной оболочке. Он препятствует контакту частиц, пузырьков или капель друг с другом и защищает их от слипания.



Выделение сливок на поверхности молока — пример нарушения седиментационно-диффузионного равновесия в эмульсии.

Форма поверхности застывшего окрашенного воска. Искривление поверхности — образование мениска — результат действия двух сил: поверхностного натяжения и взаимодействия со стенкой фарфорового стаканчика.



Существуют способы «продления жизни» коллоидных систем. Эмульсии, например, стабилизируют с помощью поверхностно-активных веществ.

П. А. Ребиндер назвал эти защитные слои структурно-механическим барь­ером. Примером могут служить бел­ки, находящиеся в молоке: молекулы белков адсорбируются на капельках жира и на длительный срок предот­вращают их слияние. Чтобы удалить с жировых капель защитный слой белка и получить таким образом сливочное масло, необходимо прило­жить значительные механические усилия.

Закончим рассказ о коллоидах про­видческими словами Д. И. Менделеева, сказанными ещё в 1871 г.: «Вопросы коллоидной химии должно считать передовыми и могущими иметь значе­ние во всей физике и химии».