Седиментационное равновесие в дисперсных системах.

Частицы дисперсной системы, находясь в сфере притяжения земли, испытывают воздействие гравитационных сил. Вместе с тем, взвешенные частицы подвержены диффузии, действие которой направлено на выравнивание концентрации во всех точках системы. Распределение частиц по высоте под действием этих сил определяет седиментационное равновесие дисперсной системы. Подобный процесс характерен для высокодисперсных систем, которые являются седиментационно – устойчивыми. Средне – и грубодисперсные системы относятся к седиментационно – неустойчивым.

Седиментационное равновесие нарушается, и частицы начинают оседать (седиментировать), когда их размер превышает 100нм (0,1 мкм). Скорость оседания частиц при седиментации можно рассчитать по формуле:

(15),

где:

r – радиус частиц дисперсной фазы,

ρ – плотность материала частиц,

ρ₀ – плотность дисперсной среды,

η – вязкость дисперсной среды,

g – ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с² .

Отсюда можно определить радиус частиц дисперсной фазы:

(16),

Формулы (15) и (16) справедливы для дисперсных систем, когда при оседании исключается столкновение частиц, а плотность частиц превышает плотность дисперсной среды.

 

Рассмотрим решение типовой задачи.

 

Задача 2.1. мыло образует в воде мицеллы, радиус которых равен 12,5 нм. Определите коэффициент диффузии и средний квадратичный сдвиг мицелл, если вязкость раствора равна , время диффузии 10сек, температура 313 К.

 

Решение. По уравнению Эйнштейна (12) находим коэффициент диффузии D:

Примечание:

В условии задачи радиус частиц указан в нанометрах (нм),а в формулу (12) нужно подставить r в метрах (м), учитывая, что 1м=10^-9нм.

Средний квадратичный сдвиг мицелл находится по формуле (13):

Ответ: средний квадратичный сдвиг мицелл равен

Задача 2.2. Определите осмотическое давление пыли при температуре 293 К, если ее концентрация равна , средний радиус частиц равен 40нм, плотность .

Решение: для расчета осмотического давления следует использовать формулу (14):

Ответ: осмотическое давление пыли составляет .

Задача 2.3. Определите скорость оседания частиц аэрозоля, радиус которых равен 7,5 мкм, при температуре 279 К. вязкость воздуха при этой температуре равна , плотность частиц равна .

Решение: скорость оседания частиц, при седиментации можно рассчитать по формуле (15):

Примечание: плотностью воздуха можно при расчете можно пренебречь.

 

Ответ: скорость оседания частиц равна .

 

Тема 3. Мицеллообразование в дисперсных системах. Строение мицелл.

(Задачи №25-31)

Частицы гидрозолей обычно имеют сложную структуру, которая зависит от условий получения золей, стабилизатора и других факторов. В отличие от молекулы химического вещества состав коллоидных частиц не может быть выражен обычной химической формулой. Поэтому и говорят не о молекулах коллоидной системы, а о так называемых мицеллах. Мицелла – это сольватированная частица дисперсной фазы золя. Рассмотрим строение мицелл гидрозоля гексацианоферрата (II) меди, полученного методом химической конденсации. При проведении реакции обмена между сульфатом меди (II) CuSO₄, взятом в избытке, и гексацианоферратом (II) калия K₄[Fe(CN)₆] образуются нерастворимые в воде частицы гексацианоферрата (II) меди согласно уравнению:

2CuSO₄ +K₄[Fe(CN)₆] = Cu₂[Fe(CN)₆] + 2K₂SO₄

Агрегат, состоящий из множества молекул гексацианоферрата (II) меди, составляет основу коллоидной частицы:

m Cu₂[Fe(CN)₆]

где:

m – число структурных единиц, входящих в агрегат.

На поверхности агрегата происходит избирательная адсорбция ионов из дисперсной среды. В соответствии с правилом Фаянса-Панета, адсорбируются преимущественно ионы, входящие в состав агрегата. В рассматриваемом примере из присутствующих в дисперсной среде ионов (K⁺, Cu²⁺, SO₄^2-) на поверхности агрегата адсорбируются ионы Cu²⁺. Они сообщают агрегату положительный заряд и называются потенциалопределяющими. Заряженный агрегат составляет ядро коллоидной частицы:

m Cu₂[Fe(CN)₆] n Cu²⁺,

где:

n – число адсорбированных ионов.

 

Заряд ядра компенсируется эквивалентным зарядом противоположно заряженных ионов (противоионов), в данном случае, ионов SO₄^2-, причем часть противоинов прочно связана с ядром и находится непосредственно у поверхности ядра. Эти противоионы помимо электростатических сил испытывают силы адсорбционного притяжения поверхности и называются противоионами адсорбционного слоя, их число равно (n-x). Остальная часть противоионов, число которых равно x, расположена диффузно и составляет диффузный слой. Таким образом, формулу мицеллы гидрозоля гексацианоферрата (II) меди можно записать следующим образом:

{mCu₂[Fe(CN)₆] nCu²⁺ (n-x)SO^2-₄} xSO^2-₄

агрегат

ядро диффузный

коллоидная частица (гранула) слой

 

мицелла

 

 

Мицелла является электронейтральной. Заряженную часть мицеллы называют коллоидной частицей или гранулой.