Вязкость и структурно-механические свойства дисперсных систем

Коэффициент вязкости, или просто вязкость η является коэффициентом пропорциональности в уравнении:

представляющем собой запись закона вязкого течения Ньютона. В уравнении использованы следующие величины: F – сила внут­реннего трения, действующая на поверхность слоя текущей жидкости в направлении, противоположном относительному перемещению ее частиц; S – площадь слоя текущей жидкости, dω – относительная скорость движения слоев жидкости, нахо­дящихся друг от друга на расстоянии dx.

Часто используют обозначения: τ = F/S – напряжение сдвига (Н/м²);

ε = dω/dx – относительная скорость сдвига (с^-1).

С учетом этих обозначений уравнению Ньютона можно при­дать такую форму:

τ = ηε.

Решение уравнения вязкого течения для случая течения жид­кости в трубке или капилляре радиуса r и длины l под действием разности давлений ΔР приводит к уравнению Гагена-Пуазейля:

где V – объем жидкости, протекающей через трубку или капил­ляр за единицу времени.

Если в чистой жидкости, имеющей вязкость η₀, содержатся твердые частицы сферической формы, причем их относитель­ное объемное содержание равно φ, то вязкость системы можно вычислить по уравнению Эйнштейна:

η = η₀(1 + 2,5φ).

Электрокинетические явления

Двойной электрический слой, образующийся на границе раз­дела фаз, имеет следующее строение (рис. 5). Непосред­ственно на поверхности располагается слой потенциалопределяющих ионов. Потенциалопределяющие ионы могут входить в состав кристаллической решетки. Для определения возмож­ности образования ионами потенциалопределяющего слоя руко­водствуются обычно правилом Панета-Фаянса: на поверхности твердого вещества предпочтительно адсорбируются ионы, способные достраивать его кристаллическую решётку или образующие с ионами, входящими в состав кристаллической решётки, наиболее труднорастворимые соединения.

Мицеллы электронейтральны. Значение среднего электрического заряда коллоидных частиц определяется разностью электростатических потенциалов, возникающей между коллоидными частицами и раствором при установлении равновесия в системе. Эта разность называется ζ(дзета)-потенциал системы.

Рис. 5. Строение двойного электрического слоя

Чем больше ζ-потенциал, тем больше значение электрического заряда коллоидной частицы. Чем больше заряд, тем больше силы отталкивания между частицами (больше коллоидная устойчивость).

Адсорбционный слой может содержать ионы как одноимен­ные с потенциалопределяющими, так и ионы противоположного знака. За пределами адсорбционного слоя находится диф­фузный слой. Общее число ионов, входящих в двойной элек­трический слой, должно быть таким, чтобы суммарный заряд (с учетом знаков) равнялся 0. При наложении внешнего элек­трического поля, вызывающего движение частиц или среды (электрофорез и электроосмос), или, наоборот, при движении частиц или среды, вызывающих возникновения разности потен­циалов (потенциал протекания и потенциал оседания), происхо­дит разрыв диффузного слоя по плоскости скольжения. Потен­циал на плоскости скольжения – ζ-потенциал.

Замена ионов ад­сорбционного слоя другими, более поверхностно-активными ионами противоположного знака может вызвать изменение со­става диффузного слоя и знака ζ-потенциала.

Электрофорез и электроосмос. Электрофорезом называют перемещение частиц дисперсной фазы отно­сительно неподвижной дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля. Электроосмосом называют перемещение дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы под действием внешнего электрического поля.

Электрически заряженная частица с находящим­ся на ее поверхности адсорбционным (неподвижным) слоем противоионов, который нейтрализует часть заряда поверхности, начинает перемещаться к одному из полю­сов, в то время как диффузное облако противоионов смещается в противоположном направлении. Наблюдая электрофоретическое движение частиц, можно установить, каков знак заряда частиц, а также определить электрокинети­ческий потенциал (ζ-потенциал), от которого зависит ус­тойчивость частиц золя.

Для расчета электрокинетического потенциала, или ζ-потенциала, по данным изучения электрокинетических явлений при­меняются следующие уравнения электрофореза, электроосмоса и потенциала протекания:

где η – вязкость среды,

ε_a = εε₀ – абсолютная диэлектриче­ская проницаемость среды (ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, ε₀ =8,885∙10^–12 Ф/м – абсолютная ди­электрическая проницаемость вакуума),

χ – удельная электро­проводность среды,

Е – напряженность электрического поля,

i – сила тока, проходящего через среду,

ΔP – приложенная к системе разность гидростатических давлений,

W – скорость движения частиц золя,

V – объёмная скорость движения жид­кости (м³/с),

u – разность потенциалов по обе стороны мембра­ны при продавливании через нее жидкой среды,

f – коэфициент, учитывающий форму частиц и их ориентацию в электри­ческом поле (f = 1 для цилиндрических частиц, ориентирован­ных вдоль силовых линий электрического поля; f = ½ для цилиндрических частиц, ориентированных перпендикулярно сило­вым линиям; f = 2/3 для сферических частиц).

Расчет ζ-потенциала для электрофореза производят по формуле:

ζ = 4πηu/εH,

где η – вязкость среды; u – электрофоретическая ско­рость частицы; ε – диэлектрическая проницаемость; Н – градиент потенциала. Градиент потенциала находят делением э.д.с. Е на расстояние между электродами l в приборе для изучения электрофорезa:

H = E/l.

Уравнение относится к частицам, имеющим ци­линдрическую форму. Для частиц сферической формы ис­пользуют формулу:

ζ = 6πηu/εH.

Величина электрокинетического потенциала зависит от концентрации ионов электролитов в растворе и от их заряда. Чем больше концентрация электролита, тем мень­ше толщина диффузной части двойного электрического слоя и тем меньше потенциал. В предельном случае, ког­да все ионы диффузного слоя перейдут в адсорбционный слой, ζ-потенциал становится равным нулю.

ПАВ

Если растворённое вещество понижает поверхностное натяжение растворителя, то оно называется поверхностно-активным (ПАВ). По от­ношению к воде поверхностно-активными веществами являются многие органические соединения, например спирты и кислоты алифатического ряда, сложные эфиры, белки и др.

Если растворённое вещество незначительно повышает поверх­ностное натяжение растворителя – поверхностно-инактивное (ПИВ). По отношению к воде поверхностно-инактивными веществами яв­ляются неорганические кислоты, основания, соли и такие орга­нические соединения, как глицерин, аминокислоты.

Если растворённое вещество практически не изменяет поверх­ностного натяжения растворителя, оно поверхностно неактивное (ПНВ). По отношению к воде такими веществами являются сахароза и ряд других.

Чтобы вещество обладало способностью понижать поверх­ностное натяжение растворителя, необходимо, чтобы молекулы этого вещества состояли из неполярной (гидрофобной) углеводородной части (хвост) и полярной (гидрофильной) группы (голова). Такие вещества называются дифильными. К полярным относятся ОН, СООН, СОО, NH₂CON, SO₃ и др. С ростом концентрации ПАВ их поверхностная активность понижается. При увеличении углеводородной цепи на одну метиленовую группу –СН₂– поверхностная активность веществ одного и того же гомологического ряда возрастает примерно в 3 раза для разбавленных растворов (правило Дюкло – Траубе).

ПАВ электролиты – ионогенные; ПАВ неэлектролиты – неионогенные.

При адсорбции полярная группа, обладающая большим сродством к полярной фазе (например, к воде) втягивается в неё. В то же время неполярная группа выталкивается в неполярную фазу.

При адсорбции ПАВ на границе раздела твёрдое тело – рас­твор так же, как и на границе раствор – газ, наблюдается раз­личная ориентация молекул адсорбата. В системе «полярный ад­сорбент – неполярный растворител» молекулы адсорбата обра­щены полярной частью («головой») к поверхности адсорбента, а неполярная их часть («хвост») погружена в растворитель. В случае системы «неполярный адсорбент – полярный растворитель», наоборот, неполярная часть моле­кулы обращена к поверхности адсорбента, а полярная часть погружена в растворитель.