Колійна наука та теорія DLVO: Чому молоко не роз’єднується

Занадто велике, щоб розчинитись, занадто мале, щоб осісти

Налийте склянку молока та залиште її на полиці. Години, а то й дні потому, воно залишається однорідною білою рідиною — жирові краплі, розподілені по всьому об'ємі, не осідають на поверхні. Коллоїд – це система, у якій частинки однієї речовини, діаметром приблизно від 1 нанометру до 1 мікрометра, дисперговані в безперервному середовищі. Цей діапазон розмірів - "коллоїдальна фаза": достатньо великий, щоб гравітація зрештою стала важливим фактором, але достатньо малий, щоб брудіння, тепловий хаотичний рух навколишніх молекул розчинника, підтримував частинки в суспензії протягом часу від годин до років. Молоко є емульсією – рідинні краплі, дисперговані в іншій рідині, і причина його стабільності, а також причина його згортання при додаванні кислоти або солі, елегантно пояснюється теорією DLVO, названою на честь Дерджагіна, Ландау, Вервей та Овербіка.

Ван-дер-Ваальсове притягання: сила, що тягне частинки разом

Між будь-якими двома електрично нейтральними тілами квантово-механічні коливання електронних хмар створюють тимчасові диполі, які викликають скоординовані диполі в сусідніх атомах. Хеймер показав, що між двома плоскими поверхнями, розділеними зазором H, ця завжди-приваблива взаємодія масштабується як 1/H², а між двома сферами радіусом R (де H набагато менший за R) – як 1/H — згасаючи достатньо повільно, щоб домінувати при відстанях кількох нанометрів. Постійна Хаймера A залежить від діелектричних властивостей як частинки, так і середовища: для полістиролу у воді A ≈ 1,3×10⁻²¹ Дж, а для золота у воді A ≈ 4×10⁻¹⁹ Дж, що пояснює, чому частинки золота агрегують набагато легше при заданій відстані.

Електростатичне відштовхування: електричний подвійний шар

Більшість коллоїдних частинок у воді набувають поверхневого заряду та створюють розріджений хмарний опіс навколо них, формуючи електричний подвійний шар. Потенціал зменшується приблизно експоненціально з відстанню, падаючи до 1/e його значення за довжиною Дебія (κ⁻¹). Коли два подібно заряджені частинки наближаються, їхні шари перекриваються, і що випливає осмотичний тиск генерує відштовхуючу силу, яка також зменшується експоненціально з κ⁻¹ — тобто додавання солі скорочує довжину Дебія та зменшує дальність відштовхування.

V_DLVO(H) = V_EDL(H) + V_vdW(H)
          = 64π R n0 kB T κ⁻² γ² exp(-κH)  -  A R / (12 H)

pure water   (I = 1e-7 M):  κ⁻¹ ≈ 960 nm   → weak screening, strong repulsion
100 mM NaCl  (I = 0.1 M):   κ⁻¹ ≈ 0.96 nm  → strong screening, barrier collapses

Бар’єр, що вирішує, чи стабільний колоїд чи згущений

Підсумовуючи дві енергії взаємодії, зазвичай утворюється глибокий первинний мінімум при H ≈ 0,1–0,5 нм (незворотнє агрегування), потенційна енергія максимума — бар’єр DLVO — при H ≈ 1–10 нм, і неглибокий друкований мінімум при H ≈ 5–20 нм (зворотне флокулювання). Якщо бар’єр значно більший за теплову енергію k_BT (наприклад, >10-15 k_BT), частинки не можуть його подолати протягом будь-якого розумного часового масштабу, і колоїд залишається стабільним. Зменшивши бар’єр — шляхом додавання солі, яка стискає подвійний шар, або змістивши pH до ізоелектричного значення білка — частинки агрегуються. Це саме те, чому оцет чи ренатин згущують молоко: кислота знижує pH до приблизно 4,6 – ізоелектричного значення міцел пробілінового казеїну, руйнуючи бар’єр і змушуючи міцели групуватися в сир. Правило Schulze-Hardy захоплює, наскільки сильно це залежить від валентності протиіонів: критична концентрація коагуляції масштабується як z⁻⁶, отже третинний Al³⁺ приблизно в 700 разів ефективніший у дестабілізації колоїду, ніж монарний Na⁺.

Поза DLVO та де це має значення

Проста теорія DLVO передбачає гладкі, жорсткі сфери з однорідним зарядом, а справжні коллоїди часто додають інші ефекти: стеричну стабілізацію від адсорбованих полімерних ланцюгів, які чинять опір стисненню за рахунок ентропії навіть при високій концентрації солі; відштовхуючі сили від неадсорбуючих полімерів, що штовхають частинки ближче одна до одної; та гідрофобну привабливість між неполярними поверхнями у воді. Ці принципи лежать в основі галузей, які сягають набагато далі кухні: фармацевтичні виробники використовують потенціал Зета (значення |30| мВ як базовий показник стабільності) як звичайний інструмент контролю якості; водоочисні станції додають сульфат алюмінію для колапсу подвійної кулі та їх осідання; а виробники фарб налаштовують pH та полімерні добавки так, щоб пігменти залишалися диспергованими в банці, але агрегувалися з моменту застосування.

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.