Диффузия
Под влиянием теплового и броуновского движения происходит самопроизвольный процесс выравнивания концентраций частиц по всему объему коллоидного раствора. Этот процесс называется иначе диффузией. Диффузия частиц в золях подчиняется тем же законам, что и диффузия молекул либо ионов в истинных растворах и газах, но протекает в сотни раз медленнее из-за гораздо больших размеров частиц.
Количественно процесс диффузии характеризуется коэффициентом диффузии D,который показывает, какое количество вещества проходит через поперечное сечение раствора площадью 1 м2 в течение секунды при градиенте (разности) концентраций по разные стороны сечения, равном единице. А. Эйнштейн, изучая броуновское движение, установил связь коэффициента диффузииDсо средним сдвигом частицы:
= 2Dt
С учетом определения
значения
из верхнего уравнения можно выделитьD:
D=
Данные уравнения имеют большое значение в коллоидной химии, т.к. позволяют на основании измерений коэффициента диффузии Dопределить радиус взвешенных коллоидных частиц сферической формы.
Седиментация в золях
Коллоидные частицы в золе постоянно находятся под влиянием двух противоположно направленных сил: силы тяжести, за счет действия которой происходит постепенное оседание вещества, и сил диффузии, под влиянием которых частицы стремятся равномерно распределиться во всем объеме золя.
В зависимости от преобладания тех или иных сил в системе наблюдается либо осаждение частиц дисперсной фазы (седиментация), либо (в случае преобладания сил диффузии) выравнивание их концентрации во всем объеме раствора.
Опытным путем было установлено, что скорость оседания частиц зависит не только от их размера (r), но и от разности плотностей дисперсной фазы (ρф) и дисперсионной среды (ρс), а также от вязкости раствора η. Математически это выражается следующим уравнением:
где υ – скорость седиментации;
g – ускорение свободного падения.
В грубодисперсных системах, характеризующихся большим значением r, преобладают процессы осаждения. Такие системы являются седиментационно или кинетически неустойчивыми. В течение короткого промежутка времени в них происходит полное выпадение в осадок дисперсной фазы.
Истинные растворы, наоборот, являются кинетически устойчивыми и могут существовать, не разделяясь на две фазы, неограниченно долгое время.
Коллоидные системы занимают промежуточное положение и их седиментационная устойчивость зависит от размеров частиц.
В большинстве золей, если отсутствует процесс агрегации (слипания) коллоидных частиц, устанавливается так называемое седиментационное равновесие, которое характеризуется равенством скоростей седиментации и диффузии. При этом через единицу площади поперечного сечения в единицу времени проходит вниз столько же оседающих частиц, сколько их перемещается вверх с диффузионным потоком.Седиментационное равновесие характеризуется постепенным уменьшением концентраций частиц в направлении от нижних слоев к верхним. Соответствующим образом изменяется и радиус находящихся в них частиц.
Исследование седиментационного равновесия положено в основу седиментационного анализа, с помощью которого можно определить размеры частиц и их фракционный состав. В медицине седиментационный анализ широко используется для качественной оценки состояния эритроцитов. Скорость оседания эритроцитов (СОЭ) значительно изменяется при различных заболеваниях и позволяет врачу сделать правильное заключение о состоянии организма пациента.