4. Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем

Молекулярно-кинетическими называются свойства, которые связаны с хаотическим тепловых движением частиц. К ним относятся - броуновское движение, диффузия, осмотическое давление, седиментация. Эти свойства определяются размерами частиц и их фракционным составом.

Броуновское движение - хаотическое движение частиц дисперсной фазы под действием ударов частиц дисперсионной среды. Этот вид движения характерен для частиц с размерами < 10^-6 м. Если размеры частиц дисперсной среды больше, то частицы лишь колеблются. Интенсивность броуновского движения зависит от размера частиц, температуры, вязкости дисперсионной среды.

Диффузия - процесс самопроизвольного переноса вещества за счет теплового движения, который приводит к выравниванию концентраций или к установлению равновесных концентраций. Диффузия имеет определенную скорость, которая определяется законом Фика:

Скорость диффузии прямо пропорциональна разности концентраций и площади поверхности, через которую происходит диффузия.

, где

- скорость диффузии, кг/с

S - площадь поверхности,

- градиент концентраций, кг/м⁴

D - коэффициент диффузии, м²/с

D - экспериментально определяемая величина.

D=

где k_б – константа Больцмана;

r –радиус частицы;

 - вязкость среды.

Определив D, можно рассчитать размеры коллоидных частиц. Для коллоидных частиц коэффициент диффузии 100 раз меньше, чем для атомов и молекул.

Осмотическое давление подчиняется закону Вант-Гоффа:

, где

С_ - частичная концентрация, м^-3 - число частиц в единице объема, определяется отношением массы дисперсной фазы к массе коллоидной частицы.

Осмотическое давление коллоидных растворов в 1000 раз меньше осмотического давления истинных растворов.

Седиментация - процесс оседания частиц дисперсной фазы под действием силы тяжести или центробежных сил.

Скорость оседания частиц под действием силы тяжести можно оценить по формуле:

, где

u - скорость оседания

r - радиус частицы дисперсной фазы

 - вязкость среды

, ₀ - плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды соотвественно.

Т.о., скорость оседания прямо пропорциональна r². Частицы грубодисперсных систем оседают с заметной скоростью. Поэтому грубодисперсные системы седиментационно не устойчивы. Частицы коллоидных размеров под действием силы тяжести практически не оседают и являются седиментационно устойчивыми. Например, время, необходимое для оседания в воде частицам кварца с ра­диусом 10~⁸ м на расстояние 10~² м, равняется 359 дням.

Для седиментации коллоидных частиц используют ультрацентрифугирование. Так изучают седиментацию белков, вирусов.

Определение скорости оседания положено в основу седиментационного анализа, с помощью которого можно определить раз­меры частиц и их фракционный состав — число частиц разного размера. Седиментационный анализ широко используют для ка­чественной оценки функционального состояния эритроцитов. Скорость оседания эритроцитов (СОЭ) значительно изменяется при различных заболеваниях и позволяет врачу делать заклю­чение о состоянии организма пациента.

5. Оптические свойства дисперсных систем

В зависимости от соотношения между диаметром 2r частиц дисперсной фазы и длиной волны , проходящей через дисперсную систему, оптические свойства системы меняются.

Если 2r значительно больше , то происходит главным образом отражение, преломление и поглощение света. Вследствие этого грубодисперсные системы обнаруживают мутность как в проходящем свете, так и при освещении сбоку.

Для коллоидно-дисперсных систем 2r   падающего света. В этом случае преобладает дифракционное рассеяние света, когда каждая коллоидная частица становится вторичным источником света. Визуально наблюдают опалесценцию. Это явление заключается в том, что окраска коллоидных растворов в рассеянном свете (при рассмотрении сбоку) и в проходящем свете неодинакова.

Опалесценцию впервые наблюдали независимо друг от друга в 1857 г. М. Фарадей и в 1868 г. Дж. Тиндаль (1820—1893). Поэтому явление получило название эффекта Фарадея — Тиндаля. При рассмотрении сбоку (а) хорошо виден опалесцирующий конус, также называемый конусом Фарадея — Тиндаля (1 - источник света, 2 - коллоидный раствор (черного цвета на рис.), 3 - направление наблюдения).

Интенсивность светорассеяния зависит от целого ряда факторов и количественно выражается уравнением, выведенным Рэлеем:

где I, I₀ — интенсивность рассеянного и падающего света, Вт/м²;

k_р—константа Рэлея, зависящая от соотношения показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды, м³;

c_ — частичная концентрация золя, м ;

 — длина волны падающего света, м;

r — радиус частицы, м.

Из уравнения Рэлея следует, что интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна интенсивности падающего света, частичной концентрации золя и квадрату объема коллоидной частицы и обратимо пропорциональна четвертой степени длины волны падающего света.

Явление дифракционного рассеяния света лежит в основе устройства ултрамикроскопа. Ультрамикроскоп - оптический прибор, позволяющий обнаруживать частицы размером до 10^-9 м, невидимые в обычный микроскоп (до 10^-7 м). Наблюдения проводятся в направлении, перпендикулярном направлению луча света, т.е. в рассеянном свете. В ультрамикроскоп видны не сами частицы, а большие по размеру пятна дифракции света на них. Ультрамикроскопию используют для исследования плазмы и сыворотки крови, лимфы, вакцин.