Опорний конспект №41 Властивості колоїдних систем

 МОЛЕКУЛЯРНО-КІНЕТИЧНІ:

1. 

     

    

   Броунівський рух 1827 р. Т. Броун

дисперсна фаза у

дисперсійному середовищі

2. Дифузія – вирівнювання концентрацій

Незворотній процес!

m = D ; D = - коефіцієнт дифузії (1906 р., Ейнштейн)

3. Зсув

4. Осмотичний тиск  = N

 ОПТИЧНІ

1. Опалесценція - каламутність, відмінність в забарвленні в проходячому і відбитому світлі

2. Забарвлення -  інтенсивність

3. Ефект Фарадея – Тіндаля Дж. Релей 1871

розсіяння і поглинання (адсорбція) світла, дифракція

Ультрамікроскопі

Нефелометричний метод аналізу

 ЕЛЕКТРОКІНЕТИЧНІ

дисперсна фаза – дисперсійне середовище

1. Електрофорез

________дисперсна фаза _____________ дослід Рейса

дисперсійне середовище

2. Електроосмос

________дисперсна фаза _____________

 дисперсійне середовище

3.  - потенціал  = ; - для часток сферичної форми

 = ; - для часток циліндричної форми

Використання: сушка пористих матеріалів, просочення, виробництво цеглини

Завдання для срс №32. Молекулярно-кінетичні властивості колоїдних систем. Електро- кінетичні властивості колоїдних розчинів. Оптичні властивості колоїдних систем.

До молекулярно-кінетичних властивостей дисперсних систем відносять: броунівський рух, дифузію, осмотичний тиск, рівноважний розподіл частинок за висотою в полі тяжіння.

Тепловий рух частинок дисперсної фази в колоїдних і мікрогетерогенних системах називається броунівським. Він виникає внаслідок зіткнення молекул середовища з частинками дисперсної фази. Число ударів молекул середовища або їх інтенсивність з одного боку будуть більшими, ніж з іншого, і частинка почне переміщуватися в напрямку рівнодіючої усіх сил. Внаслідок великого числа ударів частинка змінює напрямок руху дуже часто.

Кількісною характеристикою броунівського руху є середнє зміщення (зсув) за деякий час ї. Середній зсув вираховується за рівнянням:

,

Де D – це коефіцієнт дифузії який , можна обчислити за рівнянням:

D = ,

що дозволяє визначити радіус частинок дисперсних систем, якщо експериментально визначені усі інші величини.

Кількість речовини, що дифундує,знаходять за рівнянням:

m = D ,

де С₁ і С₂ -концентрація речовини в різних частинах системи, l – відстань між ними.

Осмотичний тиск ультрамікрогетерогенних систем залежить від числа частинок в одиниці об'єму і не залежить від їх природи і вираховується за формулою:

 = N

У дисперсних системах, де відсутня здатність до хаотичного руху частинок, останні завдяки дії сили тяжіння будуть поступово осідати (спливати) доти, поки повністю не випадуть в осад.

Оптичні властивості дисперсних систем належать до основних, оскільки багато експериментальних методик вивчення колоїдних систем передбачають застосування тих чи інших оптичних приладів. Крім того, оптичні характеристики дозволяють кількісно оцінити такі процеси, як броунівський рух, дифузія, седиментація.

Використовуючи, в основному, закони хвильової оптики і, в обмежених випадках - закони квантової оптики відзначимо найбільш характерні явища, які супроводжують процеси проходження світла через колоїдні системи. При падінні світлового пучка на дисперсну систему спостерігаються такі ефекти:

1. Проходження світла через систему.

2. Заломлення світла частинками дисперсної фази.

3. Відбивання світла частинками дисперсної фази.

4. Розсіювання світла на частинках дисперсної фази (це явище виявляється у вигляді опалесценції).

5. Абсорбція світла (поглинання світла) дисперсною фазою (це явище супроводжується переходом світлової енергії в тепло-ву чи в енергію вторинного випромінювання).

Проходження світла характерне для незабарвлених систем молекулярного або іонного ступеня дисперсності (гази, істинні розчини, тощо).

Заломлення і відбивання зустрічаються в мікрогетерогенних системах і виражаються в каламутності відносно грубих суспензій та емульсій, диму та ін.

Розсіювання світла як результат дифракції і абсорбції найбільш характерно для колоїдних систем.

Отже, оптичними властивостями дисперсних систем є:

Опалесценція - розсіяння світла каламутними розчинами (здебільшого колоїдів) з утворенням різних його відтінків (як у опалу). Показник заломлення частинок дисперсної фази опалесціюючих колоїдів суттєво відрізняється від показника заломлення дисперсійного середовища. Розсіяне світло поширюється у всіх напрямках, причому його інтенсивність в різних напрямках неоднакова і залежить від співвідношення між розмірами розсіюючих частинок та довжиною світлової хвилі, а також від різниці показників заломлення частинок і середовища. Найінтенсивніша опалесценція спостерігається у тих випадках, коли лінійні розміри частинок не перевищують 0,1 довжини світлової хвилі. В оптично однорідних системах в умовах фазових переходів спостерігається так звана критична опалесценція на довготривалих флуктуаціях густини чи концентрації.

Забарвлення – колоїдні системи мають дуже яскраве забарвлення, яке в сотні разів перевищує забарвлення справжніх розчинів.

Ефект Фарадея – Тіндаля – при пропусканні крізь золь збоку пучок світла, то можна спостерігати появлення характерного світлового конусу. Утворення такого конусу можна спостерігати від променя прожектору на темному небі, від променя сонця, що проникає в темну кімнату, коли в ній знаходиться багато пилу, тощо.

В основі оптичних властивостей дисперсних систем лежить рівняння Релея:

де I_o- інтенсивність падаючого світла, К – постійна величина для даного золю, що залежить від різниці показників переломлення дисперсної фази n_o та дисперсійного середовища n, V- об’єм частки, N- кількість часток, що розсіюється о одиниці об’єму, - довжина хвилі падаючого світла.

Електрокінетичні властивості колоїдних розчинів пов’язані з наявністю подвійного електричного шару і заряду у колоїдних частинок.

Подвійний електричний шар у колоїдних частинок може утворюватись внаслідок вибіркової адсорбції іонів стабілізатора (утворення золю AgI) або в результаті гідролізу та дисоціації поверхневих молекул агрегату (утворення золю SiO₂). Він складається з іонів одного знаку, відносно міцно зв’язаних з агрегатом, і еквівалентної кількості протиіонів, які знаходяться у рідкому дисперсійному середовищі поблизу міжфазної поверхні поділу. Протиіони можуть наблизитись до межі поділу фаз на відстань, що відповідає радіусу іона.

Відповідно до теорії Штерна протиіони не можуть бути зосередженими тільки біля міжфазної поверхні і утворювати моноіонний шар. Вони розсіяні у рідині на деякій відстані від поверхні поділу. Потенціалвизначаючі іони нерухомо закріплені у площині межі поділу твердої і рідкої фаз. Вони утворюють внутрішню обкладку, а протиіони – зовнішню обкладку. Протиіони, які утримуються поблизу поверхні поділу за рахунок сумісної дії сил електростатичного притягання та специфічної адсорбції, утворюють адсорбційну частину зовнішньої обкладки. Протиіони, що необхідні для повної компенсації поверхневого заряду, утворюють дифузійну частину зовнішньої обкладки подвійного електричного шару.

До електрокінетичних властивостей відносяться:

4. Електрофорез – явище пересування твердих часток в електричному полі відносно нерухомої рідини до електроду, знак якого протилежний заряду часток золю.

5. Електроосмос – спрямований рух рідини до електроду, знак якого однаков із зарядом часток твердої фази. Обидва явища – електрофорез та електроосмос – було доведено дослідом Рейса.

6. Виникнення  - потенціалу (електрокінетичного потенціалу) – переміщаючись в електричному полі, частка захоплює за собою адсорбційний шар рідини і протиіони, що містяться в ньому, які нейтралізують частину заряду поверхні. Надлишок заряду і визначає - потенціал. Його розраховують за формулою:

 - для часток сферичної форми

 = - для часток циліндричної форми

де - відношення довжини окружності до її діаметру (3,14),  - в'язкість середовища,  - діелектрична проникність середовища, U –0 електрофоретична швидкість часток, H – градієнт потенціалу (Е/1). Звідси розрахувати електрофоретичну швидкість можна за формулами:

U = - для часток сферичної форми

При переміщенні в електричному полі колоїдна частинка захоплює з собою адсорбційний шар рідини, яка вміщує частину протиіонів, що міцно зв’язані з ядром колоїдної частинки. Відповідно до теорії подвійного електричного шару, рух рідини відбувається не по твердій поверхні беспосередньо, а трохи далі, за межами нерухомого (адсорбційного) шару в площині, яку називають площиною сковзання. Через це електрокінетичні явища визначаються не загальним зарядом і потенціалом поверхні, а зарядом і потенціалом у площині сковзання. Різниця потенціалів між рухомою (дифузійною) і нерухомою (адсорбційною) частинами подвійного електричного шару називається електрокінетичним потенціалом або дзета-потенціалом (ξ). Величина дзета-потенціалу залежить від природи електроліту і заряду іона. Розрахувати електрокінетичний потенціал можна за рівнянням

Порушення агрегативної стійкості колоїдних розчинів у бік збільшення частинок внаслідок їх злипання під дією молекулярних сил притягання називається коагуляцією. Коагуляція колоїдних частинок може бути викликана старінням системи, зміною концентрації дисперсної фази, температури, введенням колоїдних частинок протилежного знаку заряду або електролітів.

Питання для самоперевірки

1. Перелічите молекулярно-кінетичні властивості дисперсних систем.

2. Які оптичні властивості дисперсних систем?

3. Що лежить в основі електрокінетичних властивостей дисперсних систем?

Література:

1.1. С.257-290,

1.5.С.307-320, 325-376