Тема 2. Свойства дисперсных систем.

(Задачи №11-24)

Разнообразные свойства дисперсных систем вызваны раздробленностью дисперсной фазы, взаимодействием между частицами дисперсной фазы и дисперсной средой, а также между самими частицами дисперсной фазы.

2.1 Оптические свойства дисперсных систем.

В зависимости от свойств частиц дисперсной фазы и их размеров свет, проходя через дисперсную систему, может поглощаться, отражаться или рассеиваться. В результате рассеяния луч света, проходящий через коллоидный раствор, становится видимым. Этот вид рассеяния называется опалесценцией.

Количественные закономерности такого рассеяния света были получены Релеем, который вывел следующее уравнение:

(9),

Где:

I – общее количество световой энергии, рассеянной единицей объема системы,

I₀ – интенсивность падающего света,

- численная концентрация дисперсной фазы,

V – объем частицы,

- длина волны падающего света,

n₁ – показатель преломления дисперсной фазы,

n₂ – показатель преломления дисперсной среды.

Из уравнения Релея видно, что количество рассеянной энергии пропорционально частичной концентрации, квадрату объема частицы и обратно пропорционально четвертой степени длины волны падающего света. То есть чем меньше длина волны падающего света, тем больше будет рассеяние.

При прохождении света через дисперсную систему возможно также поглощение света. Интенсивность света, прошедшего через дисперсную систему, определяется на основе закона Бугера-Ламберта-Бера

(10),

где:

I₀ – интенсивность падающего света,

I – интенсивность прошедшего света,

d – толщина поглощающего слоя,

c – концентрация дисперсной фазы,

k – коэффициент поглощения.

Таким образом, рассеяния света высокодисперсными системами определяется по закону Релея, а ослабление интенсивности света дисперсными системами в результате поглощения – по закону Бугера-Ламберта-Бера.

2.2. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем.

Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем обусловлены хаотическим тепловым движением молекул дисперсионной среды, которое складывается из поступательного, вращательного и колебательного движения молекул. Молекулярно-кинетические свойства проявляются в броуновском движении, диффузии, осмосе и седиментационном равновесии.

Броуновским называют непрерывное, хаотическое, равновероятное для всех направлений движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе, за счет воздействия молекул дисперсионной среды. Находясь в жидкости или газообразной среде, коллоидные частицы, испытывают удары со стороны молекул среды и совершают сложный путь, многократно изменяя направление своего движения. Броуновское движение характеризуется величиной среднего сдвига частицы , который представляет собой изменение координат частицы за определенный промежуток времени. Средний сдвиг частицы при броуновском движении рассчитывается по формуле:

(11),

где:

- время,

r – радиус частиц дисперсной фазы,

N_A – число Авогадро, равное моль^-1,

- вязкость дисперсной среды,

R – универсальная газовая постоянная,

T – температура в градусах шкалы Кельвина.

Диффузией называют самопроизвольное распространение вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Диффузия непосредственно связана с броуновским движением. Количественно диффузия характеризуется коэффициентом диффузии – D. Коэффициент диффузии сферических коллоидных частиц рассчитывается по уравнению Эйнштейна:

(12),

где:

k – константа Больцмана, равная

Чем меньше коэффициент диффузии D, тем продолжительнее процесс диффузии. Коэффициент диффузии D связан со средним сдвигом частицы , эта связь описывается уравнением Эйнштейна-Смолуховского:

(13),

где:

- время диффузии.

Осмос. Осмос характерен как для коллоидных, так и для истинных растворов. При разделении двух растворов различной концентрации или раствора и чистого растворителя полупроницаемой перегородкой (мембраной) возникает поток растворителя от меньшей концентрации к большей. Этот процесс называется осмосом. Движущая сила осмоса – выравнивание концентрации. За счет диффузии жидкость из области с более высокой концентрацией самопроизвольно перемещается в область с меньшей концентрацией. Это перемещение обусловлено тем, что число ударов молекул на мембрану со стороны чистого растворителя больше, чем со стороны раствора. Это избыточное число ударов и является причиной перемещения растворителя через поры мембраны туда, где его меньше, то есть в область коллоидного раствора. В результате перемещения жидкости возникает избыточное давление , называемое осмотическим. Осмотическое давление – это такое избыточное давление над раствором, которое необходимо для исключения переноса растворителя через мембрану, то есть для прекращения осмоса. Осмотическое давление коллоидных растворов рассчитывается по формуле:

(14),

где:

ν_м – массовая концентрация дисперсной фазы,

R – универсальная газовая постоянная,

T – температура в градусах шкалы Кельвина,

r – радиус частиц дисперсной фазы,

ρ – плотность материала частиц,

N_A – число Авогадро, равное

Осмос, как и все молекулярно-кинетические свойства, характерен для высокодисперсных систем, размер частиц дисперсной фазы которых не превышает 0,1 мкм.