§3.Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем

Частицы дисперсной фазы, имеющие размеры, сопоставимые с размерами молекул, участвуют в тепловом движении, что обусловливает определенное сходство коллоидных свободнодисперсных систем с молекулярными растворами.

По этой причине для них характерны явления, связанные с направленным переносом частиц в результате теплового движения, объединяемые общим названием молекулярно-кинетические явления. К ним относятся диффузия, осмос, а также броуновское движение, обусловленное тепловым движением молекул среды.

Остановимся подробнее на указанных явлениях.

Диффузия.

Диффузия – процесс выравнивания концентрации молекул или коллоидных частиц, обусловленный их тепловым движением. Процесс переноса осуществляется при наличии градиента концентрации.

Главной характеристикой диффузии служит плотность диффузионного потока j_d – количество вещества (m), переносимого в единицу времени (t) через единицу площади поверхности (S), перпендикулярной направлению переноса:

(XIII.2)

Если в среде имеется градиент концентрации С, характеризующий ее изменение на единицу длины в направлении х (одномерный случай), то в изотропной (однородной по всем направлениям) покоящейся среде

(XIII.3)

где D – коэффициент диффузии, имеющий размерность [м²/с]; знак «минус» указывает на направление потока от бóльших концентраций к меньшим.

Уравнение (XIII.3) называется первым законом Фика.

Связь коэффициента диффузии с радиусом частиц (r) и вязкостью дисперсионной среды (η) имеет вид:

(XIII.4)

где k – константа Больцмана, T - абсолютная температура.

Это выражение впервые получено Эйнштейном (1908), оно применимо к частицам сферической формы.

Осмос.

Осмос – самопроизвольный перенос вещества через полупроницаемую мембрану, разделяющую два раствора (дисперсные системы) разной концентрации или раствор (дисперсную систему) и чистый растворитель (дисперсионную среду).

Характерное свойство полупроницаемой мембраны заключается в том, что через нее, как правило, способны проникать молекулы растворителя (дисперсионной среды), но не проникают молекулы растворенного вещества (частицы дисперсной фазы).

В результате идет процесс выравнивания концентраций за счет перехода растворителя (дисперсионной среды) из менее концентрированной системы в более концентрированную. Он будет идти до тех пор, пока его мольная доля в обоих объемах не станет одинаковой.

Дополнительное давление, которое нужно приложить к раствору (дисперсной системе) для того, чтобы предотвратить поступление в него растворителя (дисперсионной среды) через полупроницаемую мембрану, называется осмотическим давлением.

Осмотическое давление (π) в разбавленных растворах недиссоциирующих веществ или дисперсных системах (золях) описывается следующим соотношением:

(XIII.5)

где С - число частиц в единице объема.

Приведенное соотношение (XIII.5) называется уравнением Вант-Гоффа.

Из уравнения (XIII.5) видно, что осмотическое давление увеличивается с ростом числа частиц в единице объема даже при постоянной массе дисперсной фазы.

Из соотношения (XIII.5) также следует, что осмотическое давление в коллоидных системах должно быть очень мало по сравнению с давлением в истинных растворах, так как при одной и той же массовой концентрации в истинных растворах размеры частиц значительно меньше, а концентрация частиц соответственно больше.

Наиболее существенная черта всех осмотических процессов – увеличение объема раствора или дисперсной системы. Оно всегда имеет место, если молекулы растворенного вещества не могут выйти из раствора, а растворитель способен проникать в раствор.

Броуновское движение.

Характерной особенностью дисперсных систем является возможность непосредственного наблюдения теплового движения частиц – броуновского движения, впервые обнаруженного английским ботаником Р.Броуном (1827).

Наблюдая в микроскоп за частицами пыльцы растений, находящимися в воде, Броун обнаружил, что они находятся в непрерывном движении. Опыты с мельчайшими крупинками различных веществ (минеральных и органических) показали, что независимо от природы вещества при достаточно сильном измельчении всегда наблюдается подобное хаотическое движение частиц.

Проведенными исследованиями была доказана природа броуновского движения. Молекулы среды (жидкости или газа) сталкиваются с частицей дисперсной фазы, в результате чего она получает огромное число ударов со всех сторон. Если частица имеет сравнительно большой размер, то число этих ударов велико, и по соответствующему закону статистики результирующий импульс оказывается равным нулю, такая частица не будет двигаться под действием теплового движения молекул. Кроме того, частицы с большой массой обладают инерционностью и мало чувствительны к ударам молекул. Очень малые частицы (в ультрамикрогетерогенных системах) имеют значительно меньшие массу и поверхность. На такую частицу будет приходиться существенно меньшее число ударов, поэтому вероятность неравномерного распределения импульсов, получаемых с разных сторон, увеличивается. Это происходит как вследствие неодинакового числа ударов с разных сторон частицы, так и вследствие различной энергии молекул, сталкивающихся с частицей. В зависимости от размеров и формы частица приобретает колебательное, вращательное или поступательное движение.

Таким образом, броуновское движение является следствием теплового движения молекул дисперсионной среды и прямым отражением законов статистики.