Очистка коллоидных растворов.

Коллоидные растворы, полученные любыми методами, обычно содержат ряд примесей (исходные вещества или побочные продукты). Все эти вещества изменяют свойства коллоидных систем и поэтому должны быть удалены.

Диализ: процесс очистки (отделения) коллоидных растворов основан на свойстве полупроницаемой мембраны пропускать примеси ионов и молекул малых размеров и задерживать коллоидные частицы.

Прибор для очистки коллоидов называется диализатором.

Рис. 2.8. Схема диализатора:

1- очищаемый раствор, 2 – растворитель (вода),

3 – мембрана.

 

Непрерывно или периодически меняя растворитель в диализаторе, добиваются полной очистки коллоидного раствора.

Недостаток простого диализатора – большая длительность процесса очистки (иногда недели, месяцы).

Электродиализ: процесс диализа, ускоренный путем применения электрического тока (в растворитель вводятся электроды 4).

 

 

Рис. 2.9. Схема электродиализатора.

 

Под действием электрического поля происходит перенос катионов из средней камеры в катодную камеру, анионов – в анодную. Удаляются даже следы электролитов, что обыкновенным диализом не достигается.

Время очистки значительно сокращается (часы, минуты).

Электродиализ находит промышленное применение: этим методом удаляют соли из молочной сыворотки. Очищенная от солей сыворотка содержит большое количество лактозы и белков и используется для получения продуктов диетического питания.

 

Ультрафильтрация: фильтрование коллоидных растворов через полупроницаемую мембрану под давлением или в вакууме. При этом коллоидные частицы остаются на фильтре (мембране), а фильтрат, содержащий низкомолекулярные вещества, переходит в растворитель.

Для ускорения ультрафильтрацию проводят под давлением (иногда в вакууме).

Мембраны - особые полимерные пленки, размер пор которых 10^-5-10^-6 см.

Способ ультрафильтрации используется для концентрирования золей путем отделения дисперсной фазы от дисперсионной среды и содержащихся в ней низкомолекулярных веществ.

 

Электроультрафильтрация: ультрафильтрация в электрическом поле.

 

В таблице приведены относительные скорости очистки коллоидных растворов:

 

Метод	Относительные скорости удаляемого вещества
(соль)	Сахар
Диализ Электродиализ Ультрафильтрация Электроультрафильтрация		0,3

 

Лекция 3. Молекулярно-кинетические и

Оптические свойства коллоидных систем.

Броуновское движение.

Диффузия.

Осмотическое давление коллоидных растворов.

Седиментация в дисперсных системах.

Оптические свойства дисперсных систем.

Явление рассеяния света.

Поглощение (адсорбция) света.

 

Броуновское движение.

Коллоидные частицы по молекулярно-кинетическим свойствам принципиально не отличаются от истинных растворов. Взвешенные в растворе частицы находятся постоянном беспорядочном тепловом движении (Броуновское движение – открыл в 1827 году английский ботаник Р.Броун, наблюдая как микроскопические частицы пыльцы и спор непрерывно и хаотично передвигаются в воде). При столкновении частиц происходит обмен количеством энергии и в результате устанавливается средняя кинетическая энергия, одинаковая для всех частиц. Молекулы (например, газа) движутся со скоростью сотни метров в секунду, коллоидные частицы размером 3-5 мкм - доли миллиметров в секунду, что обусловлено их гигантскими размерами.

Траектория движения частиц, зафиксированная с помощью кинематографической микросъемки имеет вид ломаной линии (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема перемещения частицы при

броуновском движении.

 

Средняя квадратичная величина всех смещений без учета направления движения равна:

- число смещений (число отрезков ломаной линии);

- отдельные проекции смещения частицы на ось х.

Элементарные исследования броуновского движения проводились Р. Зигмонди, Ж. Перреном, Т. Сведбергом, а теория этого движения была развита Эйнштейном и Смолуховским (1905).

Уравнеие Эйнштейна-Смолуховского для среднего квадратичного смещения частицы за время t при броуновском движении имеет вид:

- универсальная газовая постоянная;

- абсолютная температура;

- вязкость среды;

- радиус взвешенных частиц;

- постоянная Авогадро;

- время.

 

Из уравнения следует вывод – чем крупнее частица, тем меньше величина ее смещения.

Кроме поступательного движения частицы обладают также и вращательным движением.

Для вращательного броуновского движения частиц сферической формы среднее квадратичное значение угла вращения (угла поворота) составит:

Теория Эйнштейна получила многочисленные и неоспоримые доказательства.

Например, блестящим подтверждением теории являлись работы Ж. Перрена, который в своих опытах использовал сферические частицы мастики с точно известным радиусом 1 мкм. Измеряя на этом золе поступательное и вращательное движение частиц при известных значениях Т и h Перрен вычислил постоянную Авогадро N_A=6,5×10²³.

 

Диффузия

Диффузия – самопроизвольный процесс выравнивания концентрации частиц по всему объему раствора или газа под влиянием теплового (или броуновского) движения.

Эйнштейн, изучая броуновское движение, установил связь коэффициента диффузии – D со средним сдвигом:

Эйнштейн показал, что коэффициент диффузии D связан с размерами диффундирующих частиц уравнением:

где – радиус сферических частиц, размер которых много больше, чем размер молекул растворителя.

 

Уравнение Эйнштейна для коэффициента диффузии является одним из основных в коллоидной химии: с его помощью можно вычислить размер частиц золей и молекулярную массу полимера. Для этого надо лишь экспериментально определить коэффициент диффузии. При этом измеряют скорость изменения концентрации в слоях раствора (концентрацию определяют чаще всего оптическими методами – показатель преломления, оптическая плотность раствора и др.).

Размерность D – м²/с.

При 20 ⁰С: для сахарозы D=4,6×10^-10 м²/с, для коллоидных частиц D=5×10^-13 м²/с.

Физический смысл коэффициента диффузии следующий – коэффициент равен массе вещества, продиффундировавшего в единицу времени через единицу площади при градиенте концентрации равном единице.