Тема 2.2.

МОЛЕКУЛЯРНО - КІНЕТИЧНІ

ТА ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

КОЛОЇДНИХ СИСТЕМ

ПЛАН

1. Теорія броунівського руху.

2. Дифузійно-седиментаційна рівновага.

3. Оптичні властивості колоїдних систем.

4. Оптичні методи досліджень.

ВИВЧИВШИ ТЕМУ, ВИ ПОВИННІ:

Знати:

 суть поняття “броунівський рух” та його природу;

 основні поняття теорії броунівського руху Ейнштейна-Смолуховського;

 поняття дифузії та осмосу, їх практичне застосування;

 ефект Тіндаля та теорію світлорозсіювання Релея;

 основні характеристики ультрамікроскопії та електронної мікроскопії;

Вміти:

 за оптичними властивостями характеризувати істинні і колоїдні розчини.

1.Теорія броунівського руху

Молекулярно-кінетичні властивості обумовлені тепловим рухом частинок. До таких властивостей відносяться дифузія, осмотичний тиск, розподіл частинок по висоті (гіпсометричний розподіл). В колоїдних системах молекулярно-кінетичні властивості визначаються рухом частинок дисперсної фази - броунівським рухом, яке було виявлене Броуном (1827р.) при спостереженні під мікроскопом хаотичного руху квіткового пилку і спор рослин у воді.

Однак незабаром було виявлено, що такий рух спостерігається і серед дрібних частинок неорганічного походження, тобто посилання на життєві процеси виявились безпідставними. Нагадаємо, що до кінця ХІХст. не було експериментальних доказів існування атомів, молекул та їх руху. Броунівський рух заповнив цю прогалину, ставши важливим експериментальним методом у становленні і розвитку молекулярної фізики.

Броунівський рух обумовлений зіткненням молекул середовища, що перебувають у безперервному тепловому русі, зі зваженими в ній частками дисперсної фази, мікроскопічних або колоїдних розмірів.

У результаті цих рухів частка одержує величезне число ударів з усіх боків. Результат цих ударів у значній мірі залежить від розмірів часток. Частки великого розміру мало чутливі до ударів молекул середовища, через велику кількість ударів результуючий імпульс дорівнює 0, частка не рухається.

Частки малого розміру одержують значно меншу кількість ударів з боку молекул середовища, імовірність нерівномірного розподілу імпульсів збільшується й частки здобувають поступальний, обертальний і коливальний рухи.

Сьогодні броунівський рух розуміють як аксіомно просте явище. За сучасною теорією броунівського руху, створеній визначними фізиками-теоретиками А.Ейнштейном (1905р.) і Смолуховським (1906р.), цей рух має молекулярно-кінетичну природу, тобто є наслідком теплового руху молекул дисперсійного середовища. В основі цієї теорії лежить наступний постулат:

Броунівський рух зовсім хаотичний, тобто в ньому спостерігається повна рівноправність всіх напрямків.

Якщо частинка дисперсної фази досить мала, то під дією ударів, що наносять їй молекули середовища з усіх сторін, вона буде переміщатися в різних напрямках. Чим менший розмір частинок, тим інтенсивнішим їх броунівський рух.

Ч исло ударів, яке одержує частинка, дуже велике, і тому вона при своєму переміщенні постійно змінює напрямок і швидкість. Шлях частинки виміряти неможливо, і зазвичай визначають відстань, на яку вона зміщується в одиницю часу.

Рис.6. Броунівський рух дисперсної частинки.

Інтенсивність руху частинки збільшується зі зменшенням в’язкості рідини та з підвищенням температури. Броунівський рух не припиняється з часом, тобто не залежить від тривалості існування системи.

Для кількісних розрахунків беруть не саме зміщення, а його проекцію Δх. На рис.6 зображено розташування частинки, яке спостерігається в мікроскопі через рівні проміжки часу. Частинка здійснює складний зигзагоподібний шлях, що складається з прямолінійних ділянок різної довжини.

На основі молекулярно-кінетичних уявлень про природу броунівського руху Ейнштейн і Смолуховський вивели рівняння для кількісної оцінки броунівського руху частинок:

_______

Δх = ∙τ/3πη∙r

де Δх - середній квадратичний зсув частинки за час τ ;

Nа - число Авогадро;

η - в'язкість дисперсійного середовища;

r - радіус частинки дисперсної фази.

Середній квадратний зсув як будь-яка середньо квадратична розраховується за рівнянням:

Δх =

Δx₁, Δx₂,…Δx_n - окремі проекції зсуву;

n - число проекцій взятих для розрахунку.

Рівняння Ейнштейна-Смолуховського неодноразово перевірялося і експериментально була доведена його вірність. Спостереження броунівського руху і розрахунки за вказаними рівняннями переконливо довели реальність атомів і молекул, дозволили створити молекулярно-кінетичну теорію будови матерії.

Броунівський рух є причиною дифузії частинок в колоїдних системах.

Дифузія - самовільне вирівнювання концентрацій, що спостерігається в будь-яких дисперсних системах, частинки яких знаходяться в русі.

Швидкість дифузії пропорційна різниці концентрації і температурі, обернено пропорційна в'язкості дисперсійного середовища і розміру дифундуючих частинок. В колоїдних системах, частинки яких мають розміри порядку 10^-7- 10^-5см, тобто значно більші молекул низькомолекулярних речовин, швидкість дифузії дуже не велика і значно менша, ніж швидкість дифузії в молекулярних або іонних речовинах. Чим більший розмір частинок, тим меншою буде швидкість дифузії. Колоїдні частинки дифундують в сотні і тисячі разів повільніше, ніж молекули та іони низькомолекулярних речовин.

Дифузія припиняється з досягненням рівномірного розподілу частинок по всьому об’єму. Отже, дифузія можлива лише в системах з неоднаковими концентраціями. Швидкість дифузії залежить від величини і форми частинок. Колоїдні системи, як і істинні розчини, володіють осмотичним тиском, хоча у золей він дуже малий. За законом Вант-Гофа осмотичний тиск розчинів не електролітів визначається рівнянням:

π = = сRТ; с = n/V

де π -осмотичний тиск, Па;

V - об”єм розчину, м³;

n - кільсість розчиненої речовини (моль);

Т- абсолютна температура, К;

R - постійна газова стала, R =8,314 Дж/(моль∙К);

с – концентрація колоїдної системи, її визначають не молями, а кількістю частинок, що міститься в одиниці об’єму чи маси розчинника.

Це рівняння можна записати у вигляді:

π = RТ , (2.1)

де т₀ - маса речовини, розчиненої в 1л розчину, яку можна представити як т₀ = m∙v, m — маса однієї частинки, ν- часткова концентрація;

М - маса одного моля розчиненої речовини, М=m∙N_a, і тоді рівняння (2.1)

можна записати у вигляді:

п = (2.2)

Отже, осмотичний тиск залежить тільки від числа частинок в одиниці об'єму розчину і не залежить від природи і розміру частинок.

При однаковій масовій концентрації часткова концентрація колоїдних розчинів завжди менша, ніж у істинних розчинів, тому і осмотичний тиск колоїдних розчинів повинен бути дуже низьким.

Для двох колоїдних розчинів з однаковою масовою концентрацією, виходячи з рівняння (2.2) можна записати:

=

Якщо прийняти, що колоїдні частинки мають форму кулі, то:

m = р,

тоді , де τ - радіус частинки,

ρ - густина речовини дисперсної фази.

В результаті підстановки, одержимо:

=

Таким чином, осмотичний тиск колоїдного розчину обернено пропорційний кубу радіуса частинок дисперсної фази. Цим пояснюється не тільки малий осмотичний тиск колоїдних систем, але й його непостійність. Тому проводити точні вимірювання осмотичного тиску колоїдних розчинів дуже складно і проводять їх дуже рідко.

На відміну від колоїдних, розчини високомолекулярних сполук можна ретельно очистити від дрібномолекулярних домішок. Тому осмотичні методи визначення їх молекулярної маси мають практичне застосування. До речі, кров (лімфа, між- та внутріклітинні рідини, інші біологічні рідини) за своєю природою є складним розчином з певними значеннями осмотичного тиску. Осмотичний тиск крові рівний тиску 0,85%-го розчину NaCl і тому останній отримав назву фізіологічний (ізотонічний)розчин. При змішуванні такого розчину з кров’ю не відбувається зморщування еритроцитів, що треба мати на увазі при введенні в кров різноманітних фармакологічних препаратів.

Для колоїдних систем характерна агрегація (або дезагрегація) частинок, в результаті чого розмір їх збільшується (або зменшується), відповідно змінюється і осмотичний тиск.