Кількісна стабільність та теорія DLVO: Чому молоко не розшаровується

Розчинність коллоїду та теорія DLVO: Чому молоко не розшаровується

Розчинність коллоїду – це система, де частинки розміром приблизно від 1 нанометру до 1 мікрометра диспергуються в постійній фазі – достатньо великі, щоб гравітація поступово впливала, але достатньо малі, щоб брудіння підтримувало їх у стані суспензії протягом годин або років. Молоко, фарби, туман, збиті вершки та плазма крові є прикладами коллоїдів різних типів. Сфера діаметром 1 мкм має площу поверхні приблизно 6 м²/г, тому сили поверхні – незначні для макроскопічних об'єктів – повністю домінують у поведінці коллоїду, роблячи стабільність фундаментальною проблемою хімії поверхні.

Дві сили в постійній боротьбі

Квантомеханічні флуктуації електронних хмар створюють універсальну, завжди притягальну силу Ван-дер-Ваальса між частинками, яка підсумовується через підхід Хаммера по об'єму. Ця сила протидіє притяганню, оскільки більшість колоїдних частинок в воді набувають поверхневий заряд, створюючи розріджений хмарний шар антиіонів – електричне подвійний шар – перекриття якого між двома наближаючимися частинками генерує осмотичний електростатичну відштовхувальність. Теорія DLVO, названа на честь Дерджагіна, Ландау, Вервей та Овербіка, просто додає обидва енергії разом як функцію відстані H.

V_vdW ≈ −A·R / (12H)                       (Hamaker constant A, two spheres)
V_EDL = 64π·R·n₀·k_BT·κ⁻²·γ² · exp(−κH)    (κ⁻¹ = Debye screening length)
V_DLVO(H) = V_EDL(H) + V_vdW(H)

κ⁻¹ ≈ 0.304/√I nm   pure water (I≈10⁻⁷ M): κ⁻¹≈960 nm   100 mM NaCl: κ⁻¹≈0.96 nm

Добавка солі руйнує бар'єр – і згущується молоко

Теорія DLVO зазвичай має глибокий первинний мінімум при H ≈ 0,1-0,5 нм (незворотке агрегація), енергетичний бар’єр при H ≈ 1-10 нм та неглибокий друге мінімуми при H ≈ 5-20 нм (зворотне флокуляція). Якщо цей бар'єр залишається вище теплової енергії k_BT – наприклад, 10-15 k_BT або більше – частинки не можуть його подолати, і колоїд стабільний. Додавання електроліту стискає подвійний шар та зменшує бар’єр; коригування pH до ізоелектричного потенціалу білка робить те саме, нейтралізуючи поверхневий заряд, що й пояснює, чому оцет або печінка згущують молоко, руйнуючи таким чином бар'єр навколо міцел середньої частини казеїну. Правило Шулце-Герді визначає, наскільки важлива валентність: критична концентрація коагуляції масштабується як z⁻⁶, отже тривалентний Al³⁺ приблизно в 729 разів ефективніший за молярний Na⁺ – основа дозування алею при очищенні води.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.