Для высокодисперсных систем характерно наличие значительной удельной поверхности дисперсной фазы (Sуд) и интенсивного физико-химического взаимодействия между дисперсной фазой и дисперсионной средой на границе раздела фаз.
Свойства вещества на межфазовой поверхности отличаются от свойств внутри фазы. Внутри фазы молекулы или другие структурные единицы вещества равномерно окружены такими же частицами и их взаимодействие между собой взаимно скомпенсировано во всех направлениях, за счёт этого каждая молекула достигает определённого минимума энергии и находится как бы на дне «потенциальной ямы». На поверхности же фазы окружение частично меняется. Со стороны окружающей среды это взаимодействие не скомпенсировано, так как там присутствуют иные вещества или иного агрегатного состояния. Это приводит к появлению так называемой поверхностной энергии, величину которой можно представить как произведение её удельного значения (σ) на суммарную поверхность раздела (S). Наличие этого избытка поверхностной энергии (σ•S) является характерной особенностью высокодисперсных систем и определяет ряд присущих им свойств, таких как электрические, поверхностные явления и др.
Из термодинамики известно, что все самопроизвольные процессы протекают в направлении уменьшения свободной энергии. Аналогично происходят процессы и на поверхности раздела фаз (самопроизвольно в стремлении к уменьшению запаса свободной поверхностной энергии). Поэтому в таких системах σ•S→min. Вследствие этого высокодисперсные системы принципиально являются термодинамически неустойчивыми. В чём проявляется их неустойчивость? Возможны два случая.
Первый имеет место при σ=сonst, т.е. когда природа веществ на границе раздела фаз не изменяется. В этом случае стремление к уменьшению свободной поверхностной энергии реализуется за счёт уменьшения суммарной поверхности раздела S→min. Это происходит путём слияния, слипания и укрупнения дисперсных частиц с уменьшением степени их дисперсности, что приводит в итоге к разрушению дисперсной системы. Поэтому способность дисперсных систем сохранять присущую им степень дисперсности называется агрегативной устойчивостью. В этой связи агрегативно устойчивы грубодисперсные и молекулярные системы. У первых поверхность раздела фаз очень мала (S→0), а у вторых отсутствует (S=0). Агрегативно неустойчивы высокодисперсные системы, у которых S может быть очень большой и достигать десятков или даже сотен квадратных метров на один грамм дисперсной фазы. Их самопроизвольное разрушение называется коагуляцией.
Второй путь снижения свободной поверхностной энергии дисперсных систем имеет место при сохранении постоянной степени дисперсности S=сonst. В этом случае происходит изменение природы веществ на поверхности раздела фаз за счёт поглощения (сорбции) из окружающей среды тех веществ, сорбция которых сопровождается более ощутимым уменьшением удельной поверхностной энергии σ→min. В силу указанных выше причин эта способность также проявляется наиболее заметно у высокодисперсных систем и носит название поверхностных явлений.
Кроме этого, разрушение дисперсных систем возможно и без изменения степени дисперсности, например, в результате осаждения из дисперсионной среды относительно более тяжёлых частиц. Способность дисперсных систем сохранять одинаковой концентрацию дисперсных частиц по всему объёму называется кинетической устойчивостью. В этом плане наиболее устойчивы истинные растворы, наименее – грубодисперсные системы (взвеси). Высокодисперсные системы занимают промежуточное положение, а при правильном хранении могут существовать длительное время. Известно, что коллоидный раствор частиц золота, приготовленный ещё М.Фарадеем, не потерял устойчивости до нашего времени.
Таким образом, высокодисперсное состояние вещества – это качественно особая форма его существования, с присущими ей специфическими свойствами и отличиями. Закономерности её изучает коллоидная химия. Термин коллоиды был введен в 1861 г. английским химиком Томасом Грэмом, изучавшим поведение белковых растворов, и означает в переводе с греческого клееподобные.
