Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем: броуновское движение (уравнение Эйнштейна), диффузия (уравнение Фика), осмотическое давление, седиментация. Седиментационное равновесие.

Броуновское движение, правильнее брауновское движение, беспорядочное движение малых (размерами в нескольких мкм и менее) частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под действием толчков со стороны молекул окружающей среды. Открыто Р. Броуном в 1827. Видимые только под микроскопом взвешенные частицы движутся независимо друг от друга и описывают сложные зигзагообразные траектории. Броуновское движение не ослабевает со временем и не зависит от химических свойств среды. Интенсивность Броуновское движение увеличивается с ростом температуры среды и с уменьшением её вязкости и размеров частиц.

  При наблюдении Броуновское движение фиксируется положение частицы через равные промежутки времени. Конечно, между наблюдениями частица движется не прямолинейно, но соединение последовательных положений прямыми линиями даёт условную картину движения.

   Закономерности Броуновское движение служат наглядным подтверждением фундаментальных положений молекулярно-кинетической теории. Общая картина Броуновское движение описывается законом Эйнштейна для среднего квадрата смещения частицы дельта икс квадрат вдоль любого направления x Если за время между двумя измерениями происходит достаточно большое число столкновений частицы с молекулами, то дельта икс квадрат пропорционально этому времени t:

дельта икс квадрат =2D

  Здесь D — коэффициент диффузии, который определяется сопротивлением, оказываемым вязкой средой движущейся в ней частице. Для сферических частиц радиуса а он равен:

D = kT/6pha, (2)

где k — Больцмана постоянная, Т — абсолютное температура, h — динамическая вязкость среды.

  Теория Броуновское движение объясняет случайные движения частицы действием случайных сил со стороны молекул и сил трения. Случайный характер силы означает, что её действие за интервал времени t1 совершенно не зависит от действия за интервал t2, если эти интервалы не перекрываются. Средняя за достаточно большое время сила равна нулю, и среднее смещение броуновской частицы дельта икс квадрат также оказывается нулевым.

Диффузия – это самопроизвольный процесс выравнивания концентрации частиц во всем объеме коллоидной системы или молекул в растворах.

Во всех случаях диффузия идет из слоя золя с более высокой концентрацией частиц до полного выравнивания их концентраций во всех частях системы. Если обозначить dm количество вещества, перенесенного через сечение S по направлению x за время dt, то в соответствии с первым законом А. Фика

dm=-DS*dcdx*dt

где D – коэффициент диффузии; dc/dx – градиент концентрации.

Знак «минус» показывает, что процесс идет в сторону уменьшения концентрации.

Осмотическое давление

Осмотическое давление - если раствор, типа солёной воды, отделен от чистой воды мембраной, которая является непроницаемой для соли, вода будет проникать из объёма с чистым растворителем в соляной раствор. Движущая сила данного процесса называется "осмотическим давлением". Его величина зависит от концентрации солей, а также числа ионов в растворе. Обратите внимание, что осмотическое давление зависит от числа частиц в растворе, а не от их полной массы. Например, раствор, типа хлорида натрия, имеющий концентрацию 1 г/л, характеризуется большим значением осмотического давления, чем раствор протеина аналогичной концентрации. Для того чтобы вода потекла обратно из раствора соли в чистую воду, раствор должен быть подвергнут воздействию гидростатического давления, большего, чем его осмотическое давление. Это принцип обратного осмоса.

Седиментация (от лат. sedimentum — оседание) — это расслоение дисперсных систем под действием силы тяжести с отделением дисперсной фазы в виде осадка. Скорость оседания частиц зависит от их размеров, разности плотностей частиц dи среды d0, а также ее вязкости ц. Для шарообразных частиц радиусом /-сила трения при их падении в жидкости составляет/= бкгци. Эффективная масса частиц, под действием которой происходит оседание, равна (4/3)яг3(й?-

d0)g. При равенстве этих сил

бпгци = (4 / 3)nr3(d- d0) gдостигается постоянная скорость оседания:

u= (2/9)r2(d-d0)g/rx.

Из этого уравнения следует, что скорость оседания особенно зависит от размера частиц. Так, частицы серебра оседают в воде на 1 см при г = Н0~2 см за 0,05 с; при г = 1-Ю-4 см - за 500 с; при г= 1 • 10~6 см - за 58 суток. Если частицы легче жидкости (в эмульсиях), то d—d0имеет отрицательное значение и вместо оседания частиц наблюдается их всплывание.

Способность дисперсных систем к седиментации является показателем их седиментационной устойчивости. Если грубодис-персные системы седиментационно неустойчивы, то коллоидно-дисперсные системы практически не оседают вследствие броуновского движения, приводящего к равномерному распределению коллоидных частиц по всему объему.

Процессы расслоения применяют тогда, когда требуется выделить тот или иной компонент из какого-то природного или искусственно приготовленного продукта, представляющего собой гетерогенную жидкостную систему. В одних случаях из системы извлекают ценный компонент, в других удаляют нежелательные примеси. Например, для получения масла из молока выделяют жировой компонент в виде сливок; для освобождения молока от механических примесей его подвергают очистке, при которой удаляются частицы разных загрязнений.

В настоящее время разделение эмульсий, суспензий и других дисперсных (гетерогенных) систем осуществляют с помощью двух процессов. Один из них заключается в отделении частиц в поле силы тяжести, другой в разделении гетерогенных систем в поле центробежных сил.

К процессам расслоения в поле силы тяжести относятся процессы отстаивания и осаждения, идентичные по своей физической сути. Различие заключается в том, что при отстаивании дисперсная фаза движется вверх, а при осаждении вниз. Оседание частиц коллоидных растворов под действием силы тяжести происходит очень медленно. А.В. Думанский (1912) предложил для седиментационного анализа применять центрифугирование. Позже Сведберг сконструировал ультрацентрифугу.

Принцип действия центрифуг заключается в следующем: по патрубку для подачи исходной жидкости последняя попадает в барабан центрифуги. Здесь жидкость образует кольцо, в котором происходит расслоение. В поле центробежных сил дисперсная фаза в зависимости от ее плотности или оседает на стенках центрифуги, или всплывает к центру жидкости. Если частица имеет плотность большую, чем плотность дисперсионной среды, то она оседает, и наоборот.

Осветленная жидкость выбрасывается из барабана центрифуги через ее горловину. В пищевых производствах широко применяется аппарат, называемый жидкостным сепаратором. Этот тип аппарата относится к сверхцентрифугам и предназначен для расслоения тонкодиспергированных гетерогенных систем.

Современные ультрацентрифуги развивают центробежную силу, примерно в 1 млн раз превышающую силу тяжести, и могут давать до 140 ООО об/мин. Они снабжены приспособлениями, позволяющими автоматически через определенные промежутки времени производить фотографирование кюветы с золем. При этом регистрируется процесс оседания частиц, определяются концентрация вещества, масса и размер частиц.

В общественном питании процессы расслоения дисперсных систем необходимы, когда требуется получить прозрачные напитки, осветлить бульон, освободить его от частиц мяса, кости и т.д.