Частицы дисперсной фазы, имеющие размеры, сопоставимые с размерами молекул, участвуют в тепловом движении, что обусловливает определенное сходство коллоидных свободнодисперсных систем с молекулярными растворами.
По этой причине для них характерны явления, связанные с направленным переносом частиц в результате теплового движения, объединяемые общим названием молекулярно-кинетические явления. К ним относятся диффузия, осмос, а также броуновское движение, обусловленное тепловым движением молекул среды.
Остановимся подробнее на указанных явлениях.
Диффузия.
Диффузия – процесс выравнивания концентрации молекул или коллоидных частиц, обусловленный их тепловым движением. Процесс переноса осуществляется при наличии градиента концентрации.
Главной характеристикой диффузии служит плотность диффузионного потока jd – количество вещества (m), переносимого в единицу времени (t) через единицу площади поверхности (S), перпендикулярной направлению переноса:
(XIII.2)
Если в среде имеется градиент концентрации С, характеризующий ее изменение на единицу длины в направлении х (одномерный случай), то в изотропной (однородной по всем направлениям) покоящейся среде
(XIII.3)
где D – коэффициент диффузии, имеющий размерность ; знак «минус» указывает на направление потока от бóльших концентраций к меньшим.
Уравнение (XIII.3) называется первым законом Фика.
Связь коэффициента диффузии с радиусом частиц ® и вязкостью дисперсионной среды (η) имеет вид:
(XIII.4)
где k – константа Больцмана, T – абсолютная температура.
Это выражение впервые получено Эйнштейном (1908), оно применимо к частицам сферической формы.
Осмос.
Осмос – самопроизвольный перенос вещества через полупроницаемую мембрану, разделяющую два раствора (дисперсные системы) разной концентрации или раствор (дисперсную систему) и чистый растворитель (дисперсионную среду).
Характерное свойство полупроницаемой мембраны заключается в том, что через нее, как правило, способны проникать молекулы растворителя (дисперсионной среды), но не проникают молекулы растворенного вещества (частицы дисперсной фазы).
В результате идет процесс выравнивания концентраций за счет перехода растворителя (дисперсионной среды) из менее концентрированной системы в более концентрированную. Он будет идти до тех пор, пока его мольная доля в обоих объемах не станет одинаковой.
Дополнительное давление, которое нужно приложить к раствору (дисперсной системе) для того, чтобы предотвратить поступление в него растворителя (дисперсионной среды) через полупроницаемую мембрану, называется осмотическим давлением.
Осмотическое давление (π) в разбавленных растворах недиссоциирующих веществ или дисперсных системах (золях) описывается следующим соотношением:
(XIII.5)
где С – число частиц в единице объема.
Приведенное соотношение (XIII.5) называется уравнением Вант-Гоффа.
Из уравнения (XIII.5) видно, что осмотическое давление увеличивается с ростом числа частиц в единице объема даже при постоянной массе дисперсной фазы.
Из соотношения (XIII.5) также следует, что осмотическое давление в коллоидных системах должно быть очень мало по сравнению с давлением в истинных растворах, так как при одной и той же массовой концентрации в истинных растворах размеры частиц значительно меньше, а концентрация частиц соответственно больше.
Наиболее существенная черта всех осмотических процессов – увеличение объема раствора или дисперсной системы. Оно всегда имеет место, если молекулы растворенного вещества не могут выйти из раствора, а растворитель способен проникать в раствор.
Броуновское движение.
Характерной особенностью дисперсных систем является возможность непосредственного наблюдения теплового движения частиц – броуновского движения, впервые обнаруженного английским ботаником Р.Броуном (1827).
Наблюдая в микроскоп за частицами пыльцы растений, находящимися в воде, Броун обнаружил, что они находятся в непрерывном движении. Опыты с мельчайшими крупинками различных веществ (минеральных и органических) показали, что независимо от природы вещества при достаточно сильном измельчении всегда наблюдается подобное хаотическое движение частиц.
Проведенными исследованиями была доказана природа броуновского движения. Молекулы среды (жидкости или газа) сталкиваются с частицей дисперсной фазы, в результате чего она получает огромное число ударов со всех сторон. Если частица имеет сравнительно большой размер, то число этих ударов велико, и по соответствующему закону статистики результирующий импульс оказывается равным нулю, такая частица не будет двигаться под действием теплового движения молекул. Кроме того, частицы с большой массой обладают инерционностью и мало чувствительны к ударам молекул. Очень малые частицы (в ультрамикрогетерогенных системах) имеют значительно меньшие массу и поверхность. На такую частицу будет приходиться существенно меньшее число ударов, поэтому вероятность неравномерного распределения импульсов, получаемых с разных сторон, увеличивается. Это происходит как вследствие неодинакового числа ударов с разных сторон частицы, так и вследствие различной энергии молекул, сталкивающихся с частицей. В зависимости от размеров и формы частица приобретает колебательное, вращательное или поступательное движение.
Таким образом, броуновское движение является следствием теплового движения молекул дисперсионной среды и прямым отражением законов статистики.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему
Реферат
Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем (ДС) (броуновское движение, диффузия, осмос).
От 250 руб
Контрольная работа
Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем (ДС) (броуновское движение, диффузия, осмос).
От 250 руб
Курсовая работа
Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем (ДС) (броуновское движение, диффузия, осмос).
От 700 руб