11. Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем. Броуновское движение. Осмотическое давление. Седиментация.

Как показали многочисленные исследования, коллоидные системы по своим молекулярно-кинетическим свойствам принципиально ничем не отличаются от обычных (истинных) растворов, только эти свойства у золей и растворов высокомолекулярных соединений выражены значительно (в сотни и тысячи раз) слабее.  Все их молекулярно-кинетические свойства обусловлены броуновским движением.

Броуновское движение. Частицы дисперсной фазы золя под влиянием ударов молекул растворителя находятся в состоянии непрерывного хаотического движения. Так, если рассматривать какой-либо золь в ультрамикроскоп, можно заметить, что частицы золя все время беспорядочно движутся.

Впервые это явление было обнаружено английским ботаником Р. Броуном (1827). Он рассматривал суспензию растительной пыльцы в воде в микроскоп и подробно описал беспорядочные колебательные движения (в виде своеобразного, никогда не прекра­щающегося «танца»), совершаемые частицами пыльцы. Вначале Броун считал, что эти движения присущи только живым существам, но вскоре убедился, что они свойственны любым суспензиям и эмульсиям органических и неорганических ве­ществ при условии, что размер частиц достаточно мал (в пределах от 1 до 5 мкм). 

Опыты показали, что броуновское движение совершенно не зависит от природы вещества; оно изменяется в зависимости от температуры, вязкости среды и размеров частиц. 

Осмотическое давление. Для коллоидных растворов, как и для истинных, характерно осмотическое давление. Оно, подобно газо­вому давлению, являетсяколлигативным свойством растворов, т. е. зависящим только от числа свободно движущихся коллоидных частиц.

Если учесть, что объем и масса коллоидной частицы значительно больше, чем объем и масса молекулы низкомолекулярных веществ, то при одной и той же весовой концентрации коллоидного и истинного растворов в единице объема золя содержится значительно меньше частиц, чем в единице объема истинного раствора. Вот почему по сравнению с последними коллоидные растворы обладают ничтожно малым осмотическим давлением.

осмотическое давление коллоидных растворов обратно пропорционально кубу радиуса частиц и, следовательно, прямо пропорционально кубу степени дисперсности. Экспериментально осмотическое давление золей измеряют в приборах осмометрах. Для отсчета берут разность давлений в манометре . и вычисляют осмотическое давление.

Седиментационное равновесие. Частицы вещества, диспергированного в жидкой или газообразной среде, постоянно находятся под влиянием двух противоположно направленных сил — силы тяжести, под действием которой частицы данного вещества оседают, и сил диффузии, под влиянием которых частицы стремятся переместиться из области больших в область меньших концентраций, т. е. к равномерному распределению в объеме.

В зависимости от преобладания тех или иных сил в системе наблюдается осаждение частиц дисперсной фазы (под влиянием сил тяжести) или (в случае преобладания сил диффузии) выравнивание концентрации во всем объеме системы. Процесс оседания частиц под действием силы тяжести носит название седиментации (от лат. sedimentum — оседание). Скорость оседания частиц зависит не только от их размера, но и от разности плотностей частиц d—d₀, а также от вязкости этой среды.

с большей скоростью оседают более крупные частицы. Диффузия в случае более мелких частиц дисперсной фазы протекает с большей скоростью и замедляется с увеличением их размера. Если степень дисперсности вещества мала (радиус частиц больше 2 нм), то частицы не совершают броуновского движения, следовательно, их способность к диффузии равна нулю. В данном случае сила тяжести значительно преобладает над силами диффузии.

Если в системе силы тяжести полностью уравновешены силами диффузии, наступает так называемое седиментационное равновесие, которое характеризуется равенством скоростей седиментации и диффузии. 

Седиментационное равновесие наблюдается не только в коллоидных растворах, но и в молекулярно-дисперсных системах. Это равновесие характеризуется постепенным уменьшением концентрации частиц в направлении от нижних слоев к верхним. Распределение частиц в зависимости от высоты столба жидкости подчиняется гипсометрическому (или барометрическому) закону Лапласа в применении к золям: при увеличении высоты столба золя в арифметической прогрессии концентрация частиц убывает в геометрической прогрессии.

На определении скорости оседания частиц дисперсной фазы основаны все методы седиментационного анализа. Определив экспериментально скорость оседания частиц, можно рассчитать их размер, т. е. степень дисперсности.