Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем.

М олекулярно- кинетическая теория изучает законы самопроизвольного движения молекул. Некоторые свойства растворов обусловлены этим движением, т. е. Определяются не составом, а числом кинетических единиц- молекул в единице объема или массы. Коллоидно-дисперсные и микрогетерогенные системы обычно характеризуются дисперсностью, в качестве меры которой принята удельная поверхность. Удельная поверхность дисперсной фазы, содержащей одинаковые частицы, вычисляется по формуле:

Где S_ч – поверхность частицы, V_ч – ее объем.

К молекулярно- кинетическим свойствам дисперсных систем относятся: броуновское движение, осмос, диффузия.

Диффузией называется процесс самопроизвольного выравнивания концентраций в системе, приводящий к установлению одинакового химического потенциала каждого компонента во всех элементах объема системы. Для описания диффузии используется первый закон Фика:

где – поток вещества, определяемый как количество вещества dm,

проходящего за время dt через поверхность S, D – коэффициент диффузии, grad C – градиент концентраций.

Осмос- это самопроизвольное проникновение растворителя в раствор, отделенный от него полупроницаемой перегородкой. В дальнейшем этот поток уравновешивается возникающим встречным градиентом давления. Этот процесс обусловлен, в термодинамической трактовке, ростом энтропии системы, а в кинетической, - избыточным числом ударов молекул растворителя о мембрану со стороны более разбавленного раствора. Принципиально осмос в дисперсных системах и растворах высокомолекулярных соединений не отличается от осмоса растворов низкомолекулярных соединений.

где - частичная концентрация – это число частиц в единице объема,

, k – постоянная Больцмана.

Осмотическое давления золей очень малая величина. Это объясняется чрезвычайно малыми значениями частичной концентрации или, иными словами, чрезвычайно большими значениями частичного веса коллоидных частиц по сравнению с молекулярным. Для двух систем при одной температуре:

Осмотическое давление не постоянная величина. Это объясняется явлением агрегации, характерным для дисперсных систем:

Совместное рассмотрение явления осмоса и диффузии приводит к выводу уравнения Эйнштейна:

,

где - константа Больцмана, B – коэффициент вязкого сопротивления среды.

Для сферических частиц:

где η - вязкость среды, r – радиус частицы. Поэтому для сферических частиц коэффициент диффузии может быть вычислен по формуле:

, [ ]

Источником броуновского движения являются не внешние причины, а внутренние, присущие системе. Иными словами, движение обусловлено столкновениями молекул среды (жидкости или газа) со взвешенными в ней частицами. Броуновское движение частиц описывается уравнением Эйнштейна – Смолуховского:

где - средний квадрат смещения частицы вдоль любой оси за время t. Для расчета проводятся измерения через равные промежутки времени смещения частицы по произвольно выбранному направлению x₁, x₂, x₃,….,x_i…. Затем находятся квадраты этих смещений x₁², x₂²,…,x_i²,… и среднее значение квадрата:

Кроме поступательного, существует вращательное броуновское движение. В этом случае находится средний квадрат случайного поворота частицы вокруг оси, который также зависит от выбранных промежутков времени:

Где Θ - коэффициент вращательной диффузии.