Раздел VI. Молекулярно-кинетические свойства

дисперсных систем

Молекулярно-кинетические свойства обусловлены хаотическим тепловым движением частиц и проявляются в броуновском движении, диффузии и осмосе. Все молекулярно-кинетические свойства наиболее ярко выражены у высокодисперсных систем.

6.1. Броуновское движение

Броуновским движениемназывают хаотическое равновероятное для всех направлений движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе за счет воздействия молекул дисперсионной среды.

Броуновское движение обусловлено столкновениями молекул среды, находящимися в непрерывном тепловом движении с взвешенными в ней частицами микроскопических или коллоидных размеров.

Количественной характеристикой броуновского движения является средний сдвиг частицы за время τ, т.е. отрезок прямой, соединяющий начальную точку движения (при τ = 0) с положением частицы в момент времени τ:

,

где k– константа Больцмана;Т– температура;μ– вязкость дисперсионной среды;r– радиус частиц.

Из уравнения следует, что броуновское движение тем интенсивнее, чем выше температура и чем меньше масса частицы и вязкость дисперсионной среды. Средний сдвиг частиц коллоидных растворов, размер которых находится в пределах 1-100 нм может достигать нескольких миллиметров.

6.2. Диффузия

Диффузия– самопроизвольное распространение вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией.

В случае коллоидных растворов идет диффузия частиц дисперсной фазы. Процесс диффузии является необратимым и протекает до полного выравнивания концентраций. Для количественного описания диффузии применяют закон Фика:

,

где m– количество продиффундировавшего вещества;D– коэффициент диффузии;dc/dx– градиент концентрации;S– площадь поперечного сечения, через которое проходит диффузия; τ – время диффузии.

Так как масса диффундирующего вещества положительна, а градиент концентрации отрицателен, перед правой частью уравнения стоит знак «–».

Физический смысл коэффициента диффузии: это количество вещества, диффундирующего через единицу площади в единицу времени при градиенте концентрации, равном единице. Согласно формуле Эйнштейна коэффициент диффузии равен:

Коллоидные частицы характеризуются минимальным по сравнению с ионами и молекулами коэффициентом диффузии.

Процесс диффузии применяется в пищевой промышленности при извлечении сахара из сахарной свеклы.

6.3. Осмос

При разделении двух растворов различной концентрации или раствора и чистого растворителя полупроницаемой перегородкой (мембраной) возникает поток растворителя от раствора с меньшей концентрацией к раствору с большей концентрацией, приводящий к выравниванию концентраций (рис. 49). Этот процесс называется осмосом.

Осмос характерен не только для истинных растворов, но и для коллоидных растворов. Молекулы растворителя переходят через полупроницаемую мембрану в сосуд с коллоидным раствором. В результате в нем создается избыточное давление π, называемое осмотическим.

Осмотическое давление – это избыточное давление над раствором, которое необходимо для исключения переноса растворителя через мембрану.

Для расчета осмотического давления коллоидных растворов применяется уравнение:

,

где ν_ч– численная концентрация частиц.

Осмотическое давление коллоидных растворов намного меньше осмотического давления истинных растворов, так как при одной и той же весовой концентрации численная концентрация коллоидного раствора всегда меньше истинного раствора.