Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем

1. Броуновское движение -тепловое движение частиц (экспериментальное определение размера, массы и концентрации частиц дисперсной фазы).

Проявляется в хаотическом и непрерывном движении частиц дисперсной фазы под действием ударов молекул растворителя (дисперсионной среды), находящихся в состоянии интенсивного молекулярно-теплового движения.

Движение - поступательное в разнообразных направлениях.

Траектория движения - ломаная линия неопределенной конфигурации.

Количественная мера перемещения частицы - величина среднего смещения (или сдвига) частицы за некоторый промежуток времени. Смещением или сдвигом частицы - расстояние между проекциями начальной 1 и конечной 2 точек траектории на ось смещений.

А. Эйнштейн и М. Смолуховский - среднее значение квадрата смещения частицы за времяравно:

где R — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура; η — вязкость среды; r — радиус взвешенных частиц; NA — постоянная Авогадро; t — время.

С увеличением размера частиц прекращается поступательное броуновское движение, затем исчезает вращательное движение и остается колебательное.

2. Диффузия - самопроизвольный процесс выравнивания концентрации частиц по всему объему раствора или газа под влиянием теплового (или броуновского) движения.

Процесс самопроизволен, сопровождается увеличением энтропии системы, так как равномерное распределение вещества в системе отвечает наиболее вероятному ее состоянию.

Количественной величиной диффузии является коэффициент диффузии D:

Одно из основных уравнений в коллоидной химии; с его помощью определяют размер частиц золей и молекулярную массу полимеров.

3. Осмотическое давление - присуще коллоидным растворам, но в меньшей степени, чем истинным (молекулярным).

Значение осмоса особенно велико в физиологических процессах, так как в любом организме каждая клетка снабжена полупроницаемой мембраной.

При расчете используют частичную концентрацию ν – это число частиц в единице объема раствора.

Уравнение Вант-Гоффа для коллоидных систем:

НО, в коллоидных системах частичная концентрация на 5-7 порядков меньше, чем в истинных растворах.

Пример: 10^-6 частиц в литре раствора, отсюда π=2,3 Па

Такое малое осмотическое давление современными приборами не обнаруживается, так как маскируется присутствующими в растворах электролитами.

Эти особенности коллоидных растворов являются препятствием для применения к ним методов криоскопии и эбулиоскопии.

4. Седиментация - процесс оседания частиц дисперсной фазы в жидкой или газообразной среде под действием силы тяжести. Всплывание частиц (например, капель в эмульсиях) носит название обратной седиментации.

Скорость оседания частиц не зависит от их природы, а определяется уравнением Стокса для шарообразных частиц:

где g - ускорение силы тяжести,

ρ - плотность частиц,

ρ 0 – плотность среды.

На этом уравнении основан седиментационный анализ.

Процесс седиментации постепенно приводит дисперсную систему к упорядоченному состоянию, так как оседающие частицы располагаются в соответствии с их размерами (в нижних слоях преобладают крупные, затем более мелкие).

Этому противодействуют броуновское движение и диффузия, стремящиеся распределить частицы равномерно по всему объему дисперсионной среды.

Между процессами седиментации и диффузии устанавливается равновесие, характеризуемое неоднородным распределением частиц по высоте столба. Мелкие частицы сильнее испытывают влияние диффузии и располагаются в основном в верхних слоях, более крупные частицы под действием силы тяжести располагаются в нижних слоях. Установившееся состояние системы называют седиментационно-диффузионным равновесием.

5. Реологические свойства.

Реология — наука о деформации и течении материалов (вязкость и текучесть)

Вязкость - внутреннее трение между слоями данного вещества (жидкости или газа), движущимися относительно друг друга.

Вязкость является результатом межмолекулярного взаимодействия, и она тем выше, чем больше силы молекулярного притяжения. Поэтому вязкость полярных веществ всегда больше, чем неполярных.

Текучесть - свойство, противоположное вязкости.

Реологические свойства вещества зависят от его природы и физического состояния и проявляются по-разному у веществ в жидком, твердом и промежуточном (переходном) состояниях.

Вязкость жидкостей - определяется экспериментально.

Одним из наиболее простых приборов является капиллярный вискозиметр Оствальда

Вязкость сильно зависит от температуры, поэтому ее измерения следует проводить в термостате при постоянной температуре.

Повышение температуры ведет к уменьшению вязкости.

Вязкость большинства гидрофобных золей при малых концентрациях почти не отличается от вязкости чистого растворителя.

Но по мере увеличения концентрации дисперсной фазы вязкость золя становится больше вязкости чистого растворителя.

Это объясняется тем, что частицы дисперсной фазы преграждают путь слоям движущейся жидкости, которой приходится обтекать частицы. Этот эффект еще больше усиливается при удлиненной форме дисперсных частиц, которые могут вращаться вокруг своей поперечной оси (как пропеллер) под влиянием движущейся жидкости.

Поиск по сайту: