Коллоидных растворов

Рассматриваемые свойства обусловлены самопроизвольным хаотическим и непрерывным, так называемым «тепловым» движением молекул дисперсионной среды. Эти свойства коллоидных растворов проявляются в броуновском движении, диффузии и осмосе.

Броуновское движениеэто беспорядочное непрерывное 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. Причиной броуновского движения частиц являются беспорядочные удары со стороны молекул дисперсионной среды, находящихся в тепловом движении. Характер движения частиц зависит от их размеров: крупные частицы (3 – 4 микрона), видимые в микроскоп, как бы дрожат, совершая колебания около некоторого центра. Более мелкие частицы колеблются сильнее. Коллоидные частицы беспорядочно перемещаются, при этом они постоянно изменяют направление своего движения.

Молекулы дисперсионной среды, ударяясь о поверхность частиц дисперсной фазы, сообщают им часть своей энергии. Поэтому, если частица достаточно крупная, то удары молекул со всех сторон компенсируются, и частица как бы «танцует» на месте. Если частица мала, то часть ударов может быть нескомпенсированной. Тогда результирующая сила может вызвать существенное смещение частицы в разные стороны.

Количественной характеристикой броуновского движения принято считать средний сдвиг частицы xза времяt, т.е. отрезок прямой, соединяющей начальную точку движения (приt= 0)cположением частицы в момент времениtв плоскости горизонтальной проекции, наблюдаемой в микроскоп. Результаты, полученные для частиц различной природы и размеров, показали близкое соответствие измеренных и вычисленных величин среднего сдвига частиц.

Результатом броуновского движения частиц является диффузияперемещение вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией, т. е. выравнивание концентрации вещества по всему объему системы. Равномерное распределение вещества в системе наиболее вероятно, поэтому процесс диффузии является самопроизвольным. Количество диффундирующего вещества увеличивается с повышением температуры, уменьшением размера частиц и вязкости дисперсионной среды. Скорость диффузии в коллоидных системах в сотни и тысячи раз меньше, чем скорость диффузии молекул в истинных растворах и в газовых смесях. Результаты экспериментальных исследований скорости диффузии используют для вычисления радиуса частиц, характеризующего дисперсность коллоидной системы.

Хаотическое движение частиц является причиной осмоса.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. 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 называетсяосмотическим давлением.Осмотическое давление раствора тем выше, чем больше концентрация коллоидных частиц и чем выше температура. Величина осмотического давления достаточно разбавленных коллоидных растворов может быть найдена по уравнению, аналогичному уравнению ВантГоффа для осмотического давления истинных растворов. Разница состоит в том, что масса одного моля вещества заменяется массой одной коллоидной частицы. При одной и той же массовой концентрации число частиц (частичная концентрация) в коллоидном растворе значительно меньше, чем число частиц в истинном растворе. Поэтому осмотическое давление лиофобных золей значительно меньше по сравнению с осмотическим давлением истинных растворов.

Таким образом, рассмотренные молекулярнокинетические свойства характерны как для истинных, так и для коллоидных растворов, но у последних они выражены значительно слабее.

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Коллоидные растворы, при рассматривании их и на глаз, и в лупу, и в микроскоп кажутся совершенно однородными, невидимыми (оптически пустыми). Это объясняется тем, что взаимодействие света с веществом зависит от соотношения длины волны света и диаметра частиц. Мы можем оптически различить лишь частицу, сравнимую по размерам с длиной волны падающего света. Если диаметр частиц меньше половины длины волны падающего света, то такие частицы невидимы, т.к. световые лучи не могут отражаться от них. Белый свет (дневной, солнечный) полихроматичен, длина волны меняется от 400 до 760 нанометров для фиолетового и красного, соответственно.

Прохождение светанаблюдается для прозрачных систем, в которых частицы гораздо меньше длины волны падающего света. Это имеет место в случае истинных растворов и большинства индивидуальных жидких веществ.

Преломление и отражение света наблюдаются для систем, в которых частицы дисперсной фазы значительно больше длины волны падающего света. Это неравенство выполняется для микрогетерогенных и грубодисперсных систем. Визуально это явление выражается в мутности этих систем.

Рассеяние света наблюдается для систем, в которых частицы дисперсной фазы меньше, но соизмеримы с длиной волны падающего света. Именно такое соотношение выполняется для коллоидных растворов, в которых размеры частиц дисперсной фазы составляют 1100 нанометров.

Если рассматривать путь светового луча, проходящего через совершенно прозрачный коллоидный раствор, сбоку на темном фоне, то он становится видимым, образуется светящийся конус. Этот оптический эффект называется конусом Тиндаля. При сильном увеличении каждая частица в конусе Тиндаля кажется светящейся точкой. Размеры и форму частиц установить нельзя, однако можно подсчитать их число. Если таким же образом освещать истинный раствор или индивидуальную жидкость, то никакого свечения не наблюдается, так как эти системы являются оптически пустыми. В случае микрогетерогенных и грубодисперсных систем вместо равномерного свечения наблюдаются отдельные блестки, обусловленные отражением света от крупных частиц. Таким образом, одним из наиболее характерных оптических свойств золей является рассеяние света.

Согласно уравнению Рэлея, светорассеяние пропорционально концентрации частиц, квадрату объема частицы и обратно пропорционально четвертой степени длины волны падающего света. Следовательно, рассеяние коротких волн происходит более интенсивно. Так, фиолетовые и синие лучи рассеиваются приблизительно в 15 раз интенсивнее, чем оранжевые и красные, т.е. наиболее длинные волны. Этот эффект находит широкое практическое применение и объясняет некоторые природные явления.

Наряду со светорассеянием для многих коллоидных растворов характерно поглощение светаопределенной длины волны, чем объясняется окраска золей. Золь всегда окрашен в цвет, дополнительный к поглощенному. Так, поглощая синюю часть спектра, золь оказывается желтым; при поглощении синевато-зеленой части он принимает красную окраску. Поглощение света происходит в соответствии с законом Бугера - Ламберта - Бера.

Оптические методы исследования широко применяются для определения размеров, формы, структуры, а также концентрации коллоидных частиц. К ним относятся:

• ультрамикроскопия, основанная на наблюдении рассеяния света в обычном оптическом микроскопе;

• электронная микроскопия, связанная с использованием вместо световых лучей пучка быстрых электронов;

• нефелометрия метод определения размеров коллоидных частиц или концентрации золя, основанный на измерении светорассеяния коллоидным раствором;

• турбидиметрия, измерение светорассеяния коллоидного раствора по ослаблению интенсивности света, прошедшего через раствор.