Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов

К молекулярно-кинетическим свойствам свободнодисперсных систем относятся: броуновское движение, диффузия, осмотическое давление, седиментация.

Броуновское движение проявляется хаотическим непрерывным движением частиц дисперсной фазы под действием ударов молекул растворителя (дисперсионной среды), находящихся в состоянии интенсивного молекулярно-теплового движения. Перемещаться частицы могут в различных направлениях. Траектория их движения представляет собой ломаную линию неопределенной конфигурации (рис.31).

К

оличественной мерой перемещения частицы при броуновском движении является величина её среднего смещения за некоторый промежуток времени. Смещением или сдвигом частицы называют расстояние между проекциями начальной (1) и конечной (2) точек траектории на ось смещений.

А.Эйнштейн и М.Смолуховский установили, что квадрат среднего смещения равен:

где ΔX – среднее смещение частицы, м^–1; R – газовая постоянная, равная 8,31 Джмоль/К; Т – температура, К; N – число Авогадро, моль^–1; τ – время смещения, с; η – вязкость дисперсионной среды, Нc/м²; r – радиус дисперсной частицы, м.

Из этого уравнения следует, что броуновское движение тем интенсивнее, чем меньше размер частиц и вязкость среды и чем выше температура. Броуновское движение не прекращается со временем, т.е. не зависит от длительности существования системы.

Диффузия – это самопроизвольно протекающий процесс выравнивания концентраций ионов, молекул или коллоидных частиц вследствие их беспорядочного теплового (для истинных растворов) или броуновского (для дисперсных систем) движения. Диффузия заканчивается с достижением равномерного распределения частиц по всему объему. Следовательно, диффузия возможна лишь в системах с неодинаковыми концентрациями.

Величина, показывающая количество вещества, диффундирующего через поперечное сечение площадью 1 м² за 1 секунду при градиенте концентраций равном 1, называется коэффициентом диффузии.

По формуле Стокса–Эйнштейна коэффициент диффузии связан с размерами диффундирующих частиц уравнением:

где D – коэффициент диффузии, м²/с.

Из этого уравнения следует, что чем больше размер частиц и выше вязкость среды, тем меньше скорость диффузии. Следовательно, при одинаковой температуре скорость диффузии в коллоидных растворах в сотни и тысячи раз меньше, чем в истинных растворах.

Осмотическое давление – одно из коллигативных свойств растворов, т.е. зависит только от количества свободно движущихся частиц. Следовательно, оно характерно, как для коллоидных растворов, так и для истинных, и для расчета величины осмотического давления коллоидных растворов также можно применить уравнение Вант-Гоффа:

Р_осм. = ,

где Р_осм. – осмотическое давление золя, Па; n – количество частиц, моль; V– объем золя, м³; R– газовая постоянная; Т– температура, К.

Если учесть, что объем и масса коллоидной частицы значительно больше, чем объем и масса молекулы низкомолекулярных веществ, то при одной и той же массовой концентрации вещества, в единице объема золя содержится значительно меньше частиц, чем в единице объема истинного раствора. Поэтому осмотическое давление коллоидных растворов ничтожно мало по сравнению с таковым в истинных растворах. Например, осмотическое давление золя золота с массовой концентрацией вещества 10 г/л равно 45 Па, а раствора сахарозы той же концентрации и в тех же условиях – 72500 Па.

Второй особенностью осмотического давления коллоидных растворов является его непостоянство. В связи с термодинамической неустойчивостью коллоидных растворов в них непрерывно протекают процессы агрегации и дезагрегации, приводящие к изменению числа осмотически активных частиц в единице объема, а, следовательно, и осмотического давления.

Седиментация ­– это самопроизвольное оседание частиц под действием силы тяжести. В свободнодисперсных системах частицы вещества, диспергированные в дисперсионной среде, находятся под действием двух противоположно направленных сил: силы тяжести и сил диффузии. В истинных растворах ввиду малой массы их частиц (молекул, ионов, атомов) силы диффузии преобладают над силами тяжести, происходит выравнивание концентраций по всему объему системы. В грубодисперсных системах, где размер частиц довольно велик, сила тяжести значительно больше сил диффузии, что способствует осаждению и концентрированию частиц на дне сосуда. Скорость седиментации рассчитывается по уравнению Стокса:

U = ,

где U – скорость седиментации частиц, м/с; r – радиус сферических частиц, м;

 и ₀ – соответственно плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды,

кг/м ³; η – вязкость среды, Нс/м²; g – ускорение свободного подения, равное

9,8 м/с².

Из уравнения следует, что если плотность частиц дисперсной фазы больше плотности дисперсионной среды, т.е. разность ( – ₀) > 0, то частицы оседают; если же плотность частиц меньше плотности среды, например, в эмульсии масла в воде, то ( – ₀) < 0 (разность с обратным знаком), и вместо осаждения происходит всплытие частиц по тому же закону.

Если при достижении равновесия основная масса частиц дисперсной фазы за сравнительно короткое время окажется в осадке (или всплывет), систему считают кинетически (седиментационно) неустойчивой. Это характерно для грубодисперсных систем (суспензий, эмульсий и т.п.). Если же частицы в основном остаются во взвешенном состоянии, система является кинетически устойчивой. К таким системам относятся коллоидные растворы (золи).

В коллоидных растворах между силами тяжести и силами диффузии устанавливается седиментационное равновесие, при котором концентрация дисперсной фазы закономерно понижается от нижних слоев к верхним и остается постоянной во времени.

Седиментационный анализ применим для качественной оценки функционального состояния эритроцитов. Скорость оседания эритроцитов (СОЭ) значительно изменяется при различных заболеваниях, что используется в диагностике.