3. Молекулярно – кінетичні властивості дисперсних систем

Зв’язок між рухом частинок та їх молекулярно кінетичними властивостями визначені Ейнштейном та Смолуховським середньоквадратичним зміщенням частинки Δ у вибраному напрямку за час t за рівнянням:

(4.16).

У неоднорідній у вихідному стані системі відбувається самочинний процес переносу речовини, зумовлений вирівнюванням її концентрації, який називається дифузією. Дифузія відбувається внаслідок теплового руху молекул а також більш крупних частинок дисперсної фази в колоїдних системах.

Коефіцієнт дифузії можна визначити за рівнянням Ейнштейна:

(4.17).

4. Седиментація та седиментаційна стійкість

Явище направленого руху частинок дисперсної фази під дією сили тяжіння або відцентрової сили називають седиментацією. Здатність дисперсної системи зберігати постійним розподіл частинок в об’ємі називають седиментаційною або кінетичною стійкістю.

Радіус частинок r, що осідають у гравітаційному полі можна розрахувати за швидкістю осідання u, та відомими значеннями в’язкості η і густини середовища ₀ та дисперсної фази 

(4.18),

А у відцентровому полі - за рівнянням:

(4.19),

Де x - відстань частинки від осі обертання; – кутова швидкість; τ –час

5. Оптичні властивості дисперсних систем

Опалесценція – це розсіювання світла в результаті дифракції. Це явище, характерне тільки для колоїдних систем - воно спостерігається тоді, коли розмір частинок дисперсної фази менший за довжину світлової хвилі.

Загальну інтенсивність розсіяного світла I_P сферичною частинкою, що не проводить електричний струм, в розбавленій колоїдній системі визначає рівняння Релея:

(4.20);

де I_о - інтенсивність світла, що падає; n₁, n₂ - показники заломлення дисперсної фази та дисперсійного середовища;  - кількість частинок в одиниці об’єму; v - об’єм частинки;  - довжина світлової хвилі.

Радіус r сферичної частинки, що спостерігається в ультрамікроскопі можна визначити за формулою:

(4.21),

де с – концентрація диспергованої речовини, v - об’єм золю, N – число частинок в об’ємі v,  – густина дисперсної фази.

2. Контрольні питання

1. У чому полягає відмінність між термодинамічною і агрегативною стійкістю колоїдних систем?

2. Які колоїдні системи щодо їх стійкості називаються ліофільними, а які ліофобними?

3. Наведіть і охарактеризуйте всі термодинамічні й кінетичні фактори агрегативної стійкості. Вкажіть методи їх нейтралізації.

4. Охарактеризуйте процеси руйнування колоїдних систем які вам відомі. Які з них можливі в системах з твердим, а які з легкорухомим дисперсійним середовищем? За рахунок яких параметрів і якою мірою зменшується поверхнева енергія в кожному з процесів?

5. З яких стадій складається процес ізотермічної перегонки? До якого типу процесів належить кожна стадія?

6. Від яких параметрів і як залежить перенос речовини в ізотермічній перегонці?

7. Які процеси в колоїдних системах називають коагуляцією, флокуляцією, агрегацією, пептизацією?

8. Яка коагуляція в теорії кінетики коагуляцій Смолуховського називається швидкою, а яка повільною?

9. Які зіткнення в теорії коагуляції називаються ефективними?

10. Покажіть, як можна за загальним числом частинок дисперсної фази перевірити, чи підпорядковуються отримані дані теорії швидкої коагуляції; обчислити константу швидкості коагуляції і час половинної коагуляції?

11. Поясніть аналітичну і графічну залежність зміни кількості частинок кратності 1, 2, 3 та загальної кількості частинок на підставі теорії швидкої коагуляції.

12. Які параметри дисперсної системи і як впливають на швидкість коагуляції частинок відповідно до теорії Смолуховського? Чим відрізняються константи швидкості швидкої і повільної коагуляції?

13. Як перейти від константи швидкої до константи повільної коагуляції згідно з теорією Фукса?

14. Що таке розклинюючий тиск і які причини його виникнення? Назвіть і охарактеризуйте його складові.

15. Сформулюйте правила коагуляції: Шульце-Гарді, Ейлерса – Корфа та ін.

16. Які потенціал і концентрацію при коагуляції називають критичними? В чому суттєва відмінність між цими параметрами?

17. Яка коагуляція називається концентраційною, а яка нейтралізаційною?

18. Що називається порогом швидкої коагуляції? Наведіть вираз і покажіть відмінності для частинок з великим і малим потенціалами.

19. Які складові розклинюючого тиску розглядає теорія стійкості ДЛФО?

20. Наведіть приклади потенціальних кривих взаємодії між частинками для дисперсних систем , що відповідають: агрегативній стійкості; коагуляції; порогу швидкої коагуляції; швидкій коагуляції. Які особливості коагуляції частинок, що відповідають першому й другому енергетичному мінімуму згідно з теорією ДЛФО?

21. Встановлено, що знак електричних зарядів глобул натурального латексу від’ємний. Яким електролітом найвигідніше відділяти каучук від серіуму: CH₃COONa; Na₂SO₄; Zn(CH₃COO)₂; ZnSO₄; Al(CH₃COO)₃; Al₂(SO₃)₂. Біля якого електрода буде концентруватися каучук, якщо латекс помістити в сильне електричне поле?

22. В поверхневих водах району Чорнобиля містяться колоїдні радіоактивні частинки (ізотопи цезію і стронцію). При електрофорезі частинки рухаються до анода. Якому з електролітів Са(ОН)₂ чи Na₃PO₄ слід надати перевагу при коагуляції і осадженні цих частинок?

23. Поясніть, чому для зупинки кровотечі організм виділяє в крові катіони Са⁺², хоча їх вміст в біологічних рідинах малий порівняно з іонами Na⁺.

24. Для зменшення кислотності ґрунту застосовують Са(ОН)₂ або добриво – аміачну воду NH₄OH – також луг. Розглядаючи ґрунт як колоїдну систему з частинками гумусових речовин, вкажіть, який з наведених лугів понижує ξ – потенціал ґрунту на більшу величину і тим самим збільшує родючість. Назвіть іони коагулятори. (Гумусові речовини – високомолекулярні органічні речовини з карбоксильними групами.

25. Напишіть формулу золю золота, стабілізованого KAuO₂. В якому з електролітів NaCl, BaCl₂, FeCl₃ поріг коагуляції матиме менше значення?

26. Напишіть формули міцел золів: Al(OH)₃, стабілізованого AlCl₃ і SiO₂, стабілізованого H₂SiO₃. Для якого з наведених золів кращим коагулянтом буде розчин FeCl₃ чи Na₂SO₄.

27. Пороги коагуляції електролітів для заданого золю, ммоль/л: С(KAlO₂)=50,0; C(MgCl₂)=0,717; C(AlCl₃)=0,093; C(NaCl)=51,0; C(MgSO₄)=0.810; C(Al(NO₃)₃)=0,095. Визначити знак заряду частинок золю.

28. При нагріванні озерної, або річкової води до 90-95^оС відбувається інтенсивне утворення бурих пластівців. Поясніть це явище. Чому таке явище не спостерігається при нагріванні дистильованої води?

29. Для освітлення води в неї вводять: Al₂(SO₄)₃ або FeSO₄, після чого відбувається інтенсивне випадання осаду. Поясніть це явище, виходячи з того, що частинки, завислі в природній воді, мають від’ємні електричні заряди, а іонні солі, що вводяться при розчинені, гідролізуються.

30. Карбонати Ca²⁺, Cr²⁺, Ba²⁺ в момент утворення мають пухку структуру. При стоянні, особливо при нагріванні осади помітно ущільнюються, стають грубокристалічними – визрівають. Чим пояснити це явище?

31. Помічено, що вершкове масло збивається легше зі сметани, що постояла, ніж із свіжої. Поясніть це явище, враховуючи також і деяке прокисання сметани при стоянні.

32. Вершки й молоко здатні відстоюватися. Чому не відстоюється синтетичний латекс?