5.2. Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов

Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов обусловлены хаотическим тепловым движением молекул дисперсионной среды и проявляются в броуновском движении, диффузии и осмосе.

5.2.1. Броуновское движение

Броуновское движение – это непрерывное беспоря­дочное движение частиц микроскопических и коллоидных размеров, не затухающее во времени. Это движение тем интенсивнее, чем выше температура и чем меньше масса частицы и вязкость дисперсионной среды.

Установлено, что броуновское движение обусловлено столкновениями молекул среды, нахо­дящимися в непрерывном тепловом движении, со взвешенными в ней частицами микроскопических или коллоидных размеров. В результате этих столкновений частицы получают огромное число ударов со всех сторон и приобретают поступательное, вращательное и колебательное движение.

Количественной характеристикой броуновского движения принято считать средний сдвиг частицы за времяt, т. е. отрезок прямой, соединяющей начальную точку движения (при t=0) с положением частицы в момент t в плоскости горизонтальной проекции, наблюдаемой в микроскоп.

Средний квадратичный сдвиг частицы при совершенной беспорядочности движения может быть вычис­лен на основании статистических законов:

,

где R – универсальная газовая постоянная; N_A – число Авогадро; Т – абсолютная температура; t – время наблюдения; η – коэффициент вязкости; r – радиус частицы.

5.2.2. Диффузия

Диффузией называется самопроизвольный процесс выравнивания концентрации молекул, ионов или коллоидных частиц под влиянием их теплового движения.

Процесс диффузии является необратимым, протекает до полного выравнивания концентраций, так как хаотическое распределение частиц отвечает максимальной энтропии системы.

Для количественного описания диффузии используется первый закон Фика:

,

где m – количество продиффундировавшего вещества; D – коэффициент диффузии; – градиент концентрации;S – площадь, через которую происходит диффузия; τ – продолжительность диффузии.

Коэффициент диффузии численно равен количеству вещества, диффундирующего через еди­ницу площади в единицу времени при градиенте концен­трации, равном единице.

А. Эйнштейн вывел уравнение, связывающее коэффициент диффузии D с абсолютной температурой Т, вязкостью дисперсионной среды η и радиусом частиц дис­персной фазы r:

.

Связь между средним квадратичным сдвигом частиц и коэффициентом диффузии дает уравнение Эйнштейна-Смолуховского:

.

5.2.3. Осмотическое давление

Если коллоидный раствор отделен от чистого растворителя (дисперсионной среды) полупроницаемой мембраной, не пропускающей коллоидные частицы, возникает односторонняя диффузия молекул растворителя в коллоидный раствор, называемая осмосом. Причиной осмоса является хаотическое движение частиц. Подобно броуновскому движению и диффузии, осмос является процессом самопроизвольным. Переход растворителя в коллоидный раствор будет происходить до тех пор, пока постоянно возрастающее гидростатическое давление раствора не воспрепятствует ему. Это давление называется осмотическим давлением.

Осмотическое давление π достаточно разбавленных коллоидных растворов может быть найдено по уравнению Вант-Гоффа для осмотического давления истинных растворов:

,

где М – масса одного моля растворенного вещества; с – массовая концентрация.

Для коллоидных растворов масса 1 моля вещества заменяется массой одной частицы, а массовая концентрация – частичной концентрацией.

Рассмотренные молекулярно-кинетические свойства характерны как для истинных, так и для коллоидных растворов, но у последних они выражены значительно слабее, так как при одной и той же массовой концентрации число частиц в коллоидном растворе значительно меньше, чем в истинном.

Изучив тему «Оптические и молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов», вы должны знать:

• оптические явления, наблюдаемые при падении света на дисперсные системы, чем они обусловлены;

• сущность рассеяния света, его закономерности, уравнение Рэлея;

• закон Бугера-Ламберта-Бера, причины окраски золей;

• оптические методы исследования золей, на чем каждый из них основан;

• сущность броуновского движения, диффузии, осмоса;

• факторы, от которых зависит каждое из указанных свойств.