Koagulacja to proces polegający na łączeniu się ze sobą cząstek koloidalnych, które zamieniają się w cząstki o dużych rozmiarach, które ostatecznie osadzają się w postaci osadu lub unoszą się na powierzchni.

Koagulacja jest zwykle wywoływana przez dodanie elektrolity. Kiedy elektrolit jest dodawany do roztworu koloidalnego, cząsteczki zolu pobierają jony, które są przeciwnie naładowane, a tym samym ulegają neutralizacji. Następnie obojętne cząstki zaczynają się gromadzić, tworząc cząstki o większych rozmiarach, które opadają.

Ilość elektrolitu potrzebna do koagulacji określonej ilości roztworu koloidalnego zależy od wartościowości jonu mającego ładunek przeciwny do ładunku cząstek koloidalnych. Ta obserwacja Hardy'ego i Schulze jest znana jako prawo Hardy'ego Schulze'a.

Można je zdefiniować następująco: Im większa jest wartościowość przeciwnie naładowanego jonu dodawanego elektrolitu, tym szybsza jest koagulacja.

Ideą tego są przyciągające siły elektrostatyczne między jonami o przeciwnych ładunkach. Im większy ładunek jonów, tym większe są przyciągające siły elektrostatyczne między jonami: $ f = - \ frac {qq '} {4 \ pi \ epsilon_0r ^ 2} $, tym szybsza jest koagulacja.

W związku z tym w koagulacji ujemnie naładowanego roztworu siarczku arsenowego, trójwartościowe kationy są znacznie bardziej skuteczne niż dwuwartościowe kationy, które z kolei są bardziej skuteczne niż kationy jednowartościowe. Podobnie w przypadku koagulacji dodatnio naładowanego zolu wodorotlenku żelazowego, czterowartościowe aniony są skuteczniejsze niż trójwartościowe aniony, które są bardziej skuteczne niż dwuwartościowe aniony, które z kolei są bardziej skuteczne niż jednowartościowe aniony.

Minimalna ilość elektrolitu, która musi być dodany do jednego litra roztworu koloidalnego w celu spowodowania całkowitej koagulacji lub flokulacji nazywana jest wartością koagulacji lub flokulacji elektrolitu. Zatem mniejsza jest wartość flokulacji elektrolitu; większa jest jego zdolność koagulacji lub wytrącania.

Aby wyjaśnić zasadę Schuze-Hardy'ego, musisz wziąć pod uwagę, że pracujesz z dyspersjami koloidalnymi stabilizowanymi elektrostatycznie.

Trwałość tych dyspersji jest dobrze opisana przez teorię DLVO. Zgodnie z tą teorią potencjał interakcji cząstek można wyrazić jako sumę dwóch wkładów, $$ V_T = V_A + V_R $$ atrakcyjnej interakcji $ V_A $ (ze względu na siły VdW) i odpychające oddziaływanie elektrostatyczne $ V_R $ (ze względu na nakładanie się podwójnej warstwy rozproszonej wokół tych cząstek). Cząstka jest sytable, jeśli potencjał interakcji powoduje powstanie bariery, która zapobiega zbliżaniu się cząstki dostatecznie blisko, aby dotrzeć do obszaru silnego oddziaływania. Poniższy diagram ilustruje odrażający potencjał.

Prosty model opisujący odpychający potencjał dostarcza model Gouy-Chapman. Dla cząstki kulistej potencjał ten ma postać

$$ V_R = V (r0) e ^ {- \ kappa r} $$

gdzie $ \ kappa ^ {- 1} $ jest znane jako długość Debey i zapewnia pomiar zasięgu podwójnej warstwy dyfuzyjnej. $ \ kappa $ zależy od siły jonowej ( $ I $ ), $$ \ kappa \ propto \ sqrt {I} $$ $$ I = \ frac {1} {2} \ sum_ {i} c_i z_i ^ 2 $$

Zatem wzrost siły jonowej skutkuje mniejszą długością Debye'a, bardziej zagęszczoną podwójną warstwą i mniejszą barierą dla agregacji. Zauważ, że dla tych samych stężeń jonów siła jonowa rośnie wraz z kwadratem ładunku jonów. Reguła Schulze-Hardy'ego jest empiryczną realizacją tej własności.

Dołączyłem kilka zdjęć, które ilustrują pewne przewidywania dotyczące kulistych nanocząstek złota. Niestety zgubiłem odniesienie w miejscu, w którym je znalazłem i nie mogę go ponownie znaleźć.