Tính bền vững của hệ phân tán là khả năng duy trì được trạng thái phân tán không đổi theo thời gian. Sự bền vững của các hệ phân tán chỉ có tính cách tương đối, nếu hệ tồn tại trong một thời gian lâu thì gọi là bền, còn trong một thời gian ngắn là không bền. Tinh bền vững của hệ phân tán được chia làm 2 loại: tính bền tập hợp và tính bền động học. Hai yếu tố này liên quan mật thiết với nhau.
Tính bền tập hợp của hệ keo
Khả năng giữ được độ phân tán và đặc trưng riêng của các hạt pha phân tán là thước đo về độ bền vững tập hợp. Khả năng phân bố đều pha phân tán trong môi trường là thước đo về độ bền vững động học. Muốn hệ phân tán tồn tại, các hạt của pha phân tán phải được phân bố đều trong toàn môi trường. Nhưng trong hệ, các hạt luôn luôn chuyển động Brown do đó có khả năng va chạm vào nhau. Sự va chạm này tạo điều kiện để các hạt tập hợp thành các hạt lớn hơn, và dưới ảnh hưởng của trọng trường sẽ sa lắng xuống đáy bình. Có thể nói sự tập hợp các hạt là nguyên nhân trực tiếp dẫn đến sự phá vỡ độ bền động học của hệ.
Độ bền động học đã được khảo sát ở chương 3, sau đây ta chỉ đề cập đến độ bền tập hợp đối với hệ keo.
* Các hệ keo là hệ dị thể, khác với các dung dịch phân tử, giữa pha phân tán và môi trường phân tán có bề mặt phân chia lớn nên có năng lượng bề mặt dư lớn, nên phần lớn là không đồng nhất nhiệt động và không bền tập hợp. Trong hệ keo luôn có khuynh hướng diễn ra những quá trình kết hợp các tiểu phân nhỏ thành những tiểu phân lớn làm cho tổng bề mặt phân chia giữa các pha giảm xuống. Vì thế vấn đề tính bền tập hợp của hệ keo là một trong những vấn đề trung tâm của hóa keo, còn sự keo tụ là cơ chế quan trọng nhất của việc chuyển trạng thái, thay đổi tính bền vững, thường gặp ở tất cả các hệ keo điển hình.
* Các hệ keo thường có tính bền tập hợp rất khác nhau. Một số hệ sống vài giây sau khi chúng tạo thành, nhưng nhiều hệ keo tồn tại trong thời gian dài. Tính bền tập hợp phụ thuộc nhiều vào thành phần của môi trường phân tán và có thể thay đổi nhiều khi đưa vào hệ những lượng rất nhỏ các chất điện phân lạ.
Tính bền tập hợp và keo tụ của hệ keo kỵ lỏng
Theo ảnh hưởng của phụ gia chất điện phân đến độ bền của hệ keo có thể chia thành 2 nhóm: hệ keo ưa lỏng và hệ keo kỵ lỏng.
- Với hệ keo ưa lỏng (lyophylle sol) như hệ protein/nước:
Tác dụng tương hỗ giữa pha phân tán và môi trường phân tán làm cho entropi của hệ tăng lên (ΔS > 0) dẫn đến ΔG = ΔH - T.ΔS < 0, năng lượng tự do trong quá trình hình thành hệ giảm, nên chúng tự phân tán vào nhau và hệ bền vững về mặt nhiệt động học. - Còn hệ keo kỵ lỏng (lyophob sol), là hệ có bề mặt riêng lớn, năng lượng liên kết bên trong pha phân tán lớn hơn đáng kể so với năng lượng tương tác giữa các pha, và sự khác biệt đó không được điều hòa bởi yếu tố entropi, nên đối với chúng: ΔG = ΔH - T.ΔS > 0. Do đó, sự phân tán không thể tự xảy ra, mà nó diễn ra được là do công bên ngoài hoặc nhờ các quá trình khác (ví dụ quá trình hóa học). Nói cách khác, đây là một hệ thống không bền vững nhiệt động và các hạt pha phân tán luôn có khuynh hướng liên kết lại với nhau để giảm bề mặt phân cách (làm giảm năng lượng tự do bề mặt).
Tính không ổn định của các hệ keo kỵ lỏng thể hiện do 2 hiện tượng: tái kết tinh và keo tụ.
- Số hạt giảm đi do kết quả của sự tái kết tinh xảy ra trong toàn hệ. Ta biết các hạt nhỏ có áp suất hơi và độ hòa tan lớn hơn so với hạt lớn, do đó xu hướng các hạt lớn thì lớn dần lên, số hạt giảm xuống. Sau một thời gian khi các hạt đủ lớn, hệ sẽ mất độ bền sa lắng. Nhưng vì các pha phân tán thường có độ hòa tan nhỏ nên sự tái kết tinh thường xảy ra rất chậm và trường hợp này ít gặp.
- Nhiều hạt dính kết lại thành tập hợp lớn hơn (hợp thể) và dẫn đến mất độ bền sa lắng, gọi là sự keo tụ (coagulation). Sự keo tụ là hiện tượng phổ biến đối với các hệ keo trong môi trường phân tán lỏng và khí.
Trong trường hợp các hệ keo lỏng và khí do keo tụ mà các hạt hoàn toàn dính chập lại thì được gọi là sự kết tụ (coalescence).