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.