5.2. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем

Молекулярно-кинетические свойства обусловлены хаотическим тепловым движением частиц и проявляются в броуновском движении, диффузии и осмосе. Все молекулярно-кинетические свойства наиболее ярко выражены у высокодисперсных систем.

5.2.1. Броуновское движение

Броуновским движением называют хаотическое равновероятное для всех направлений движение частиц микроскопических или коллоидных размеров, взвешенных в жидкости или газе, за счет их столкновения с молекулами дисперсионной среды, находящимися в непрерывном тепловом движении.

Количественной характеристикой броуновского движения является средний сдвиг частицы за время , т.е. отрезок прямой, соединяющий начальную точку движения (при = 0) с положением частицы в момент времени :

,

где – константа Больцмана; – температура;

– вязкость дисперсионной среды; – радиус частиц.

Из уравнения следует, что броуновское движение тем интенсивнее, чем выше температура и меньше масса частицы и вязкость дисперсионной среды. Средний сдвиг частиц коллоидных растворов, размер которых находится в пределах 1–100 нм, может достигать нескольких миллиметров.

5.2.2. Диффузия

Диффузия – самопроизвольное перемещение вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией.

В случае коллоидных растворов идет диффузия частиц дисперсной фазы. Процесс диффузии является необратимым и протекает до полного выравнивания концентраций. Для количественного описания диффузии применяют закон Фика:

,

где – масса продиффундировавшего вещества;

– коэффициент диффузии;

– градиент концентрации;

– площадь поперечного сечения, через которое проходит диффузия;

– время диффузии.

Так как масса диффундирующего вещества положительна, а градиент концентрации отрицателен, перед правой частью уравнения стоит знак «–».

Физический смысл коэффициента диффузии: это количество вещества, диффундирующего через единицу площади в единицу времени при градиенте концентрации, равном единице.

Согласно формуле Эйнштейна коэффициент диффузии равен:

. (66)

Коллоидные частицы характеризуются минимальным по сравнению с ионами и молекулами коэффициентом диффузии.

Процесс диффузии применяют в пищевой промышленности при извлечении сахара из сахарной свеклы, растительного масла из семян подсолнечника (экстракция) и т.д.

5.2.3. Осмос

При разделении двух растворов различной концентрации или раствора и чистого растворителя полупроницаемой перегородкой (мембраной) возникает диффузия растворителя из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией, приводящая к выравниванию концентраций. Этот процесс называют осмосом.

О смос характерен не только для истинных растворов, но и для коллоидных растворов. Молекулы растворителя переходят через полупроницаемую мембрану в сосуд с коллоидным раствором. В результате в нем создается осмотическое давление.

Осмотическое давление – это избыточное давление столба жидкости над раствором, которое необходимо для прекращения переноса растворителя через мембрану.

Для расчета осмотического давления коллоидных растворов применяют уравнение:

, (75)

где – численная концентрация частиц.

Осмотическое давление коллоидных растворов намного меньше осмотического давления истинных растворов, т.к. при одной и той же весовой концентрации численная концентрация коллоидного раствора всегда меньше истинного раствора.