1.2.2. Молекулярно-кинетические свойства золей

Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем связаны с влиянием теплового движения частиц дисперсной среды на частицы дисперсной фазы. Это явление называется броуновским движением. Поскольку гели являются связано дисперсными системами (движение частиц ограничено), а золи – свободно дисперсными, то молекулярно-кинетические свойства лучше всего проявляются в последних.

1) Седиментация - склонность к оседанию или сплыванию частиц дисперсной фазы (обратная седиментация).

На каждую частицу в гравитационном поле действует сила тяжести и сила Архимеда. Они постоянны во времени и противоположны по направлению. Сила, которая приводит к седиментации, является равнодействующей этих двух сил:

F_сед = F_g – F_A = Vg (ρ – ρ_o), (1.2)

где ρ – плотность дисперсной фазы, ρ_o – плотность дисперсной среды.

Если ρ > ρ_o, то частица оседает, если ρ < ρ_o, частица всплывает.

На седиментацию также действует сила трения, тогда

F_сед = F_g – F_A = Vg (ρ – ρ_o) – Bu, (1.3)

В – коэффициент трения, u – скорость движения частиц.

Способность к седиментации выражают через константу седиментаци, которая связана со скоростью седиментации соотношением:

S = u/g. (1.4)

2) Седиментационно-диффузное равновесие

При оседании частиц частичная концентрация изменяется по высоте столба: в верхних шарах она уменьшается, в нижних – увеличивается. В результате возникает градиент концентраций, возникает диффузионный поток, направленный снизу вверх.

Диффузионный поток, і_диф – количество вещества, которое диффундирует через единицу площади поверхности за единицу времени. Седиментационный поток, i_сед – количество вещества, которое проходит через единичную поверхность при седиментации за единицу времени.

Со временем седиментационный поток слабеет, а диффузионный – усиливается. Поэтому через некоторое время эти потоки могут сравняться (і_диф = i_сед), и в системе установится седиментационно-диффузное равновесие.

Способность дисперсной системы противостоять оседанию характе-ризуется седиментационной стой-костью (различают кинетическую (КСС) и термодинамическую (ТСС)):

Рисунок 1.1. Схематическое изображение опыта Рейсса по электрофорезу

КСС = 1/ S_сед, (1.5) [6].

1.2.3. Электрокинетические свой-ства золей и гелей

Главной особенностью коллоидных растворов, в частности золей и гелей, является наличие у них электрических свойств. При наложении разности потенциала коллоидные частицы начинаются двигаться и, наоборот, при их движении в системе возникает разность потенциалов. Таким образом, коллоидные растворы напоминают собой растворы электролитов. Эти явления получили название электрокинетических явлений. Электрические свойства золей объясняют наличием заряда на поверхности коллоидных частиц.

Среди электрокинетических свойств следует рассмотреть электрофорез, электроосмос, а также потенциалы седиментации и течения.

Рисунок 1.2. Схематическое изображение опыта Рейсса по электроосмосу

1) Электрофорез. 1808 г Ф.Ф. Рейсс показал, что при наложении разности электрических потенциалов на электроды, опущенные в заполненные водой стеклянные трубки, воткнутые в кусок сырой глины, жидкость в трубке с положительным полюсом мутнела, а в трубке с отрицательным полюсом вода оставалась прозрачной. Это указывало на то, что частицы глины переносятся в электрическом поле к положительному полюсу.

2) Электроосмос. Рейс заметил также, что если тонкий кварцевый песок поместить в среднюю часть U-образной трубки так, чтобы он образовал как бы пористую диафрагму, затем заполнить трубку водой и приложить электрический ток к электродам, помещенным в оба колена трубки, то уровень воды в колене с отрицательным электродом будет повышаться до тех пор, пока разность уровней в обоих коленах не достигнет определенного значения [3].

Совершенно очевидно, что причина всех электрокинетических явлений заключена в противоположности знаков заряда твердой фазы и жидкости. Это положение было принято еще Квинке и Гельмгольцем во второй половине XIX столетия.

С современной точки зрения заряд на коллоидных частицах лиозолей, проявляющийся при электрофорезе, обусловлен наличием на их поверхности двойного электрического слоя из ионов, возникающего либо в результате избирательной адсорбции одного из ионов электролита, находящегося в растворе, либо за счет ионизации поверхностных молекул веществ.

Кроме этого, было обнаружено два явления, как бы противоположных электрофорезу и электроосмосу. Дорн в 1878 г.-обнаружил, что при оседании каких-либо частиц в жидкости, например песка в воде, возникает электродвижущая сила между двумя электродами, введенными в разные места столба Жидкости. Это явление, противоположное электрофорезу, получило название эффекта Дорна, или потенциала седиментации.

При продавливании жидкости через пористую перегородку, по обеим сторонам которой находятся электроды, также бы.ло обнаружено возникновение разности потенциалов. Явление это, открытое Квинке в 1859 г. и обратное электроосмосу, было названо потенциалом протекания, или потенциалом течения.

Все четыре указанных явления, поскольку в них происходит передвижение частиц или жидкости при приложении разности потенциалов или, наоборот, возникает разность потенциалов при передвижении частиц или жидкости, получили общее название электрокинетических явлений [7,8].