Молекулярно-кинетические свойства

Свойства и устойчивость дисперсных систем

Так называют свойства, обусловленные хаотическим тепловым движением частиц. Эти свойства зависят от размеров частиц дисперсной фазы.

Броуновское движение – специфическое свойство дисперсных систем. Оно и открыто при их изучении под микроскопом. Но это было сделано раньше (1827), чем появилось понятие «дисперсные системы». (Английский ботаник Роберт Броун (1773-1858).

Квадрат среднего смещения частицы

откуда вычисляется радиус частицы

,

где постоянная Больцмана k = 1,38·10^–23 Дж/К; Т – температура; t – время наблюдения; h - коэффициент вязкости ( его размерность).

Рис. 1. Броуновское движение

Диффузия. Отличается от броуновского движения тем, что происходит в среде с градиентом концентрации, а броуновское движение в однородной среде. Диффузия коллоидных частиц идет медленно.

,

где коэффициент диффузии

,

Осмос. Осмос в коллоидных растворах наблюдается, но осмотическое давление непостоянно вследствие медленной коагуляции (укрупнения частиц).

p_осм = cRT,

где с – концентрация частиц, моль/л

;

Пример. 1%-ный раствор As₂S₃ имеет р(осм)=3,4 Па; в частице около 3000 формульных единиц.

Седиментация или осаждение. Осаждение (иногда всплывание) частиц дисперсной фазы происходит со скоростью, зависящей от размеров частиц. Частицы коллоидных размеров могут практически не подвергаться седиментации.

,

где r - плотность дисперсной фазы; r_о – плотность дисперсионной среды; g – ускорение свободного падения.

Рис. 2. Седиментация

При отрицательной разности плотностей частицы дисперсной фазы не оседают, а всплывают

Оптические свойства коллоидных растворов.

Наблюдается рассеяние и поглощение излучения коллоидными растворами. Рассеяние характерное свойство дисперсных систем. Условие рассеяния – длина волны λ ≈ d(диаметр частиц)

,

где I_o – интенсивность падающего излучения; с – концентрация частиц; V – объем частиц; K_R – константа Релея.

Согласно этому уравнению, интенсивность рассеянного света пропорциональна шестой степени радиуса частицы.

; K_r – константа Релея

Наблюдается конус рассеяния Фарадея-Тиндаля:

Рис. 3. Конус рассеяния.

На рассеянии ультрафиолетовых лучей основано наблюдение коллоидных частиц в ультрамикроскопе.

Строение частиц лиофобных золей (если не уместилось в первой лекции)

{m[AgI]×nI^–(n–x)K⁺}x K⁺ .

агрегат

ядро

гранула

мицелла

Электрокинетические свойства коллоидных систем.

При воздействии на дисперсную систему электрического поля можно наблюдать перемещение дисперсной фазы и дисперсионной среды относительно друг друга. Впервые эти явления изучил профессор Московского университета Ф.Ф. Рейс в 1807 г. Позднее это явление было названо электрофорезом, а движение дисперсионной среды относительно дисперсной фазы – электроосмосом.

Потенциал оседания – это скачок потенциала, возникающий в процессе седиментации.

Потенциал течения – это скачок потенциала, возникающий при движении дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы.

Электрофорез Электроосмос

Возникновение Возникновение

потенциала оседания потенциала течения

Рис. 4. Электрокинетические явления.

Наличием зарядов на поверхностях коллоидных частиц обусловлены электрокинетические явления. Электрический заряд на границе раздела фаз может возникать или в результате избирательной адсорбции одного из ионов электролита, растворенного в дисперсионной реде, или вследствие диссоциации ионогенных групп молекул вещества дисперсной фазы. Вследствие этих процессов на границе раздела фаз возникает двойной электрический слой.

Исходные представления о строении двойного электрического слоя были сформулированы немецким ученым Г Гельмгольцем (1879 г.). По Гельмголцу, двойной электрический слой подобен плоскому конденсатору, одна из обкладок которого находится на поверхности дисперсионной фазы, а другая за счет сил электростатического притяжения на расстоянии двух ионных радиусов в дисперсионной среде. Позднее представления о строении двойного электрического слоя были развиты Ж. Гуи (1910), Д. Чепменом (1913) и О. Штерном (1924).

По современным представлениям внешняя обкладка двойного электрического слоя имеет более сложное строение, чем предполагал Гельмгольц. Часть ионов достаточно прочно связана с поверхностью дисперсной фазы, а остальные диффузно с убывающей плотностью распределены в дисперсионной среде. Такое распределение ионов объясняется тем, что на них действуют два противоположных фактора: а) силы электростатического притяжения, стремящиеся удержать их внутри поверхности раздела фаз; б) энергия теплового движения, которая стремится распределить эти ионы равномерно по всему объему дисперсионной среды.

Разность зарядов дисперсионной фазы σ_д и дисперсионной среды σ_с называется электротермодинамическим потенциалом φ_о. Граница, по которой происходит перемещение одной фазы относительно другой находится в дисперсионной среде, и называется поверхностью скольжения. Скачок потенциала, который существует на поверхности скольжения, называется электрокинетическим потенциалом или дзета-потенциалом (ζ). Величиной электрокинетического потенциала определяются скорости электрофореза и электроосмоса.

Практически наиболее важное явление электрофорез - движение коллоидных частиц в электрическом поле. Применяется для разделения дисперсных частиц, введения в организм лекарств. Скорость электрофореза зависит от электрокинетического потенциала ζ:

, где

- напряженность электрического поля; v – скорость электрофореза; e - диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды.

Электрокинетический потенциал - это разность потенциалов между диффузной и адсорбционной частью двойного электрического слоя. ζ-Потенциал зависит от концентрации электролита и температуры. При повышении концентрации потенциал понижается. Одинаковое снижение ζ-потенциала зависит от заряда ионов:

KCl – c = 0,025 моль/л

BaCl₂ – c = 0,00037 моль/л

AlCl₃ – c = 0,00001 моль/л

Рис. 5. Электрокинетический потенциал

ζ-Потенциал эритроцитов человека –16,3 мВ. Возникает за счет диссоциации фосфолипидов.