Рассмотрите графический метод весового седиментационного анализа Одена применительно к монодисперсным системам.
Опишите процесс седиментационного анализа с помощью гидростатического метода. Отметьте преимущества этого метода.
В чем состоят преимущества и недостатки метода весового анализа?
Преимущества весового анализа – это простота и возможность непосредственного получения зависимости массы осадка от времени по показаниям весов. Основной недостаток данного метода – это неопределенность начала процесса седиментации, т. к. за время, необходимое для помещения чашки в жидкость после завершения перемешивания, успевают осесть самые крупные частицы. В результате конечная масса частиц на чашечке оказывается заниженной. Кроме того, погрешность в измерения вносит и отклонение траектории оседания частиц от линейного закона, особенно если частицы имеют электрический заряд и взаимодействуют друг с другом.
Оригинальный метод седиментационного анализа был предложен Вигнером в 1918 г Он основан на измерении гидростатического давления жидкости. Аппарат для гидростатического седиментационного анализа представляет собой сообщающиеся сосуды – широкий, который заполнен анализируемой суспензией и узкий, заполненный какой-либо жидкостью (например, дисперсионной средой, водой). В этом случае высоты уровней суспензии и жидкости установятся обратно пропорционально их плотностям. В процессе оседания частиц плотность суспензии будет уменьшаться и, соответственно, уровень жидкости в тонком колене будет опускаться. Это позволяет следить за кинетикой процесса седиментации. Основные преимущества гидростатического метода седиментационного анализа – высокая точность, экспрессность и простота эксперимента.
В монодисперсной системе все частицы имеют одинаковый размер и осаждаются с одинаковой скоростью. Вследствие этого высота суспензии, содержащей частицы дисперсной фазы, и масса частиц, собирающихся на чашечке весов, изменяются по линейному закону.
График кинетики седиментации в монодисперсной системе имеет следующий вид:
Скорость седиментации соответствует тангенсу угла наклона α: 
.
В точке ^ А изменение массы осевшего осадка прекращается, т .е. процесс седиментации заканчивается. Опустив перпендикуляр из точки А на ось ординат, можно найти массу всех частиц суспензии.
Зависимость массы осадка от времени для монодисперсной системы определяется следующим уравнением:
,
где Q – общая масса дисперсной фазы, 
– масса частиц дисперсной фазы в объеме, приходящаяся на единицу высоты.
Для сферических частиц, для которых соблюдается закон Стокса, масса осевших частиц может быть рассчитана по формуле:
.
Из этого уравнения можно выразить радиус частиц:
либо 
.
(Какой радиус реальный или эквивалентный (эффективный) можно определить для частиц произвольной (несферической) формы по уравнению для скорости седиментации?)
Зная r, можно определить Sуд:
(на единицу объема) или 
(на единицу массы).
П
олидисперсные системы состоят из частиц неодинаковых размеров. Соответственно, частицы, образующие отдельные фракции, будут осаждаться с разными скоростями. Самый простой вариант полидисперсной системы – это бидисперсная система, состоящая из двух фракций – мелких и крупных частиц. Как будет выглядеть кривая седиментации такой системы?
График кинетики седиментации бидисперсной системы будет соответствовать ломанной ^ ОСД, представляющей собой суперпозицию (сумму) прямых, отвечающих седиментации крупных (отрезок ОА) и мелких (отрезок ОВ) частиц.
ОО1 = Аτ1 – характеризуют содержание крупных частиц;
О1О2 = Вτ2 – характеризуют содержание мелких частиц;
ОО2 = Дτ2– характеризуют суммарное содержание частиц.
Точка С будет соответствовать окончанию процесса оседания всей фракции крупных частиц. Произойдет это за время t1. Чтобы узнать массу этой фракции, нужно продлить отрезок СД до пересечения его с осью ординат (таким образом, из суммарной массы осадка, образованного частицами обоих размеров, вычитается масса мелких частиц). В результате получим точку О1. Масса крупных частиц суспензии будет равна отрезку ОО1.
Далее при t>t1 на отрезке СД будут оседать только мелкие частицы вплоть до момента времени t2. Наклон отрезка СД равен наклону отрезка ОВ. (Объясните, почему!) Чтобы найти суммарную массу осадка необходимо просто опустить перпендикуляр на ось ординат из точки Д. Получим отрезок ОО2. Для определения массы мелкой фракции из суммарной массы ОО2вычитается масса крупной фракции ОО1.
Для расчета радиусов частиц и удельной поверхности каждой из фракции справедливы приведенные выше уравнения для описания монодисперсной системы (при допущении, что частицы сферические).