Лекция 7. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем
Общие методы получения дисперсных систем.
Молекулярно-кинетическая теория и свойства дисперсных систем.
Закономерности седиментации и седиментационная устойчивость. Диффузионно-седиментационное равновесие.
Седиментационные методы анализа дисперсных систем.
1. Общие методы получения дисперсных систем.
Общими методами получения дисперсных систем являются диспергирование и конденсация.
Диспергирование – дробление и измельчение вещества с образованием частиц коллоидной дисперсности. Диспергирование осуществляют физико-механическими и физико-химическими методами. При получении порошков, суспензий твердые материалы измельчают с помощью механических приспособлений (дробилок, шаровых мельниц, вальцов). Разрушение твердых материалов может быть облегчено при использовании эффекта Ребиндера – адсорбционного понижения прочности поверхности твердых материалов. Этот эффект обусловлен понижением поверхностной энергии на границе раздела при адсорбции ПАВ, которые называют понизителями твердости. К физико-химическим методам диспергирования твердой фазы относят метод пептизации (физико-химического дробления) осадков, применяемый при получении лиозолей.
Для получения аэрозолей и, реже, эмульсий применяют форсунки, распылительные диски, центрифуги. Для получения эмульсий применяют физико-химические методы с использованием ПАВ-эмульгаторов. Также для диспергирования жидкостей, полимеров, легкоплавких металлов используют ультразвуковой метод.
Дисперсные системы с газообразной дисперсной фазой (газовые эмульсии, пены) получают методом барботирования через жидкость.
Методы диспергирования не могут быть использованы для получения дисперсных систем с размерами частиц менее 100 нм.
Конденсация – образование гетерогенной системы из гомогенной в результате ассоциации молекул, атомов или ионов в агрегаты коллоидной дисперсности. Конденсация осуществляется физико-химическими методами:
- осаждение за счет понижения растворимости веществ;
- восстановление оксидов металлов;
- метод замены растворителя;
- пересыщение паров с последующим понижением температуры или понижения давления.
2. Молекулярно-кинетическая теория и свойства дисперсных систем.
Теоретически обоснованная интерпретация броуновского движения частиц дисперсной фазы была дана Эйнштейном (1905 г.) и Смолуховским (1906 г.). Молекулы среды (жидкости или газа) сталкиваясь с частицей дисперсной фазы, наносят большое число ударов со всех ее сторон. Для частиц большого размера (более 100 нм) число ударов велико и, по законам статистики суммарный импульс частицы близок к нулю. Кроме того, частицы с большой массой мало чувствительны к ударам. Для частиц меньших размеров повышается вероятность неравномерного распределения импульсов по координатам. В результате частицы могут приобретать поступательное, колебательное и вращательное движение.
Д
ля
количественного выражения броуноского
движения Эйнштейн и Смолуховский ввели
понятие среднего сдвига чатсицы, также
называемого амплитудой смещения, и
установили количественную связь между
средним сдвигом частицы дисперсной
фазы и коэффициентом диффузии дисперсионной
среды:
2 = 2 * D * |
(7.1) |
где D – коэффициент диффузии;
- время пробега частицы.
Исходя из диффузионного уравнения Эйнштейна:
D = КБ * Т / В |
(7.2) |
где КБ – константа Больцмана;
В – коэффициент трения, равный:
В = 6 * * r * |
(7.3) |
здесь r – средний радиус частицы дисперсной фазы;
- коэффициент динамической вязкости дисперсионной среды.
Подставив значение коэффициента диффузии в уравнение (7.1), получим уравнение Эйнштейна-Смолуховского:
2 = КБ * Т * / 3 * * r * |
(7.4) |
В истинных гетерогенных системах тепловым движением частиц можно пренебречь в силу больших размеров и инертности частиц. С уменьшением размеров до величин, соответствующих ультрамикрогетерогенной дисперсности явление броуновского движения частиц приобретает значительный масштаб; частицы постепенно теряют свойство фазы – независимость термодинамических свойств от количества фазы. Для истинных дисперсных систем правило фаз Гиббса имеет вид:
F = К – Ф + 3 |
(7.5) |
Для ультрамикрогетерогенных систем этот вид уравнения справедлив, если рассматриваются свойства, обусловленные гетерогенностью и дисперсным состоянием вещества. При анализе свойств, аналогичных свойствам истинных растворов (коллигативные свойства) и не зависящим от гетерогенности и дисперсности системы, используют правило фаз Гиббса в традиционном виде.
Осмотическое давление дисперсных систем.
Уравнение Вант-Гоффа для дисперсных систем имеет вид:
= ( / NA) * R * T |
(7.6) |
где - 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.