Закономерности седиментации и седиментационная устойчивость. Диффузионно-седиментационное равновесие.

Осмотическое давление дисперсных систем.

Уравнение Вант-Гоффа для дисперсных систем имеет вид:

p = (n / NA) * R * T (7.6)

где n - частичная концентрация дисперсной фазы;

NA – число Авогадро.

Поскольку частичная концентрация определяется как число частиц в единице объема дисперсной системы, осмотическое давление дисперсных систем обратно пропорционально кубу радиуса частицы. Лиозоли имеют значение осмотического давления, соизмеримые с осмотическим давлением истинных растворов. С ростом размера частиц осмотическое давление резко снижается.

 

Характерным общим свойством суспензий, порошков, эмульсий и аэрозолей является склонность к оседанию или всплыванию частиц дисперсной фазы (седиментация или обратная седиментация).

Скорость процесса седиментации описывается уравнением Стокса:

U = (2 * g * (r - r0) * r2) / (9 * h) (7.7)

где r, r0 – плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды.

При седиментации в поле центробежных сил (процессы центрифугирования и сепарирования) ускорение силы тяжести g в формуле Стокса заменяется на ускорение центробежной силы:

а = w2 * R (7.8)

где R – от оси вращения до осаждаемой частицы.

При описании скорости обратной седиментации разность плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды в формуле Стокса записывается в виде: r0 - r.

Способность дисперсных систем к седиментации выражается через константу седиментации:

Sсед = U / g (7.9)

За единицу константы седиментации принят Сведберг (1 Сб = 10-13 с). Для аэрозолей, суспензий, аэрозолей значения константы седиментации очень велики (106 – 109 Сб). Если размер частиц суспензий приближается к ультрамикрогетерогенной дисперсности, скорость седиментации резко снижается. Седиментацию тонкодиспергированных суспензий, эмульсий, золей проводят в центробежном поле.

Осаждению частиц золей препятствуют тепловое движение частиц фазы, а также диффузионный эффект: при оседании частиц золей возникает разность концентраций частиц дисперсной фазы, обуславливающая диффузию частиц золя в противоположном направлении. При рассмотрении седиментации в микрогетерогенных системах диффузионный эффект практически не учитывается, но для золей он принимает значительные масштабы. В связи с этим, введены понятия седиментационного и диффузионного потоков:

iдиф = - (КБ * Т / В) * (dn/ dx) (7.10)
iсед = (u * g * (r - r0)) / B (7.11)

где dn/ dx – скорость диффузии;

u - объем частицы дисперсной фазы;

В золях через определенное время после их приготовления значения диффузионного и седиментационного потоков уравновешиваются, т.е. наступает седиментационно-диффузионное равновесие. Факторы, обуславливающие седиментационную устойчивость дисперсных систем, делят на две группы: кинетические и термодинамические.

Кинетическую седиментационую устойчивость количественно можно оценить по величине, обратной константе седиментации:

(1 / Sсед) = (9 * h) / (2 * r2 * (r - r0)) (7.12)

Термодинамическая седиментационная устойчивость обусловлена законами диффузии и непосредственно связана с седиментационно-диффузионным равновесием. Количественной характеристикой термодинамической седиментационной устойчивости является гипсометрическая высота:

h = (КБ * Т) / (u * g * (r - r0)) (7.13)

 


Лекция 8. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

1. Оптическая неоднородность (анизотропия) дисперсных систем.

2. Применение методов световой, электронной и ультрамикроскопии в коллоидной химии.

3. Закон Рэлея. Методы исследований дисперсных систем, основанные на светорассеянии.

4. Поглощение света и окраска золей.