Как следует . Из формулы (9. 7), чем больше размер частиц, тем мень коэффициент диффузии и менее интенсивна сама диффузия.

Формулы (9.6)—(9.8) позволили экспериментальным путем определ* константу Больцмана и число Авогадро.

В воздухе коэффициент диффузии частиц радиусом 1 нм составляет 1,28
10"⁶ м²/с Для частиц радиусом 100 нм коэффициент диффузии снижается д~
2,21 • 10~¹⁰ м²/с, для частиц радиусом 10 мкм — до 1,38 ■ 10~^!0 м²/с Для части!.
размер которых превышает 10 мкм, т.е. для грубодисперсных систем|
коэффициент диффузии и сама диффузия ничтожны. "

Диффузия в полной мере проявляется у высокодисперсш систем, ослаблена у среднедисперсных и практически отсутству у грубодисперсных систем.

Коэффициент диффузии зависит и от формы частиц, что учитывается в уравнении (9.7). Поэтому при помощи форму! (9.8) можно определить размер только коллоидных шарообра

ных частиц или приведенный к шарообразному размер частиц неправильной формы.

Таким образом, диффузия непосредственно связана с броу­новским движением; эта связь количественно выражается при помощи уравнений (9.6)—(9.8).

Диффузия проявляется в различных отраслях техники, в процессах жизнедеятельности. Она служит основой ряда распространенных технологий и операций: например: дубление кожи, выделка меха, крашение тканей, спекание порошка в порошковой металлургии, химико-термическая обработка металлов (цементирования стали, металлизации и сварки металлов), очистка газов с помощью диффузионных насосов и др.

В пищевой промышленности диффузия имеет место при извлечении продукта из сырья. Коллоидный раствор, который образуется после извлечения сахарозы из клеток сахарной свеклы или другого растительного сырья, называют диффузионным соком, подчеркивая тем самым роль диффузии. Различные виды перемещения влаги в пищевых массах сопровождаются молекулярной диффузией — перемещением воды из области высокой в область низкой концентрации. Коэффициент диффузии влаги зерна пшеницы при влагосодержании 0,29—0,44 кг/кг и 293 К равен (0,172—0,381)10^ мЧг¹.

Дифффузионные процессы получили дальнейшее развитие в новых современных областях техники — ядерной энергетики, космонавтики, радиационный и плазмохимической технологии и др.

Диффузия оказывает влияние на механизм и скорость химических реакций, а так же на ряд физико-химических процессов: мембранных (см. пар аграф 12.4), испарения, конденсации, кристаллизации, растворения, набухания (см. параграф 19.4), горения, каталитических, хроматографических, люминисцент-ных, электрических и оптических (в полупроводниках), образования двойного электрического слоя (см. параграф 7.2), фотографических для быстрого получения позитивного изображения и многих других.

Закономерностям, характерным для диффузии, подчиняются процессы распространения элементов в земной коре и во Вселенной, а так же процессы жизнедеятельности клеток и тканей живых организмов и растений (например, поглощение клетками корневой системы Na, P и К — основных элементов минерального питания растений).

Осмос

При разделении двух растворов различной концентрации или раствора и чистого растворителя полупроницаемой перегород­кой (мембраной) возникает поток растворителя от меньшей кон­центрации к большей, выравнивающий концентрацию. Этот про­цесс называется осмосом.

Осмос характерен не только для истинных, но iybm колло­идных растворов. Схема осмоса приведена на рис. у.4. В сосуд, имеющий полупроницаемую перегородку 3, помещен истинный или коллоидный раствор 7. Полупроницаемая перегородка спо­собна пропускать дисперсионную среду или растворитель, но, является препятствием для коллоидных частиц или растворен-

Рис. 9.4. Схема осмоса:

1 — сосуд с истинным или коллоидным раствором;

2 — емкость с чистой
жидкостью (растворителем);

3 — полупроницаемая
перегородка (мембрана)

ных веществ. С наружной] стороны перегородки нахо-> I дится чистая жидкость (ра-1 створитель) 2. Концентра-j ция раствора по обе сторо~| ны полупроницаемой пе«

регородки будет различной. Внутри сосуда 1 часть раствора за-v
нимают молекулы растворенного вещества или частицы диспер-¹
сной фазы, поэтому концентрация жидкости (растворителя шщ^
дисперсионная среда) там будет меньше, чем в емкости 2 с чис^
той жидкостью. j

За счет диффузии жидкость из области более высокой кон-! центрации будет самопроизвольно перемещаться в область мень-¹] шей концентрации, т.е. из емкости 2 в емкость 1. Это перемещен ние на рис. 9.4 показано стрелками. Оно обусловлено тем, число ударов молекул на мембрану растворителя со сторо! чистого или более разбавленного раствора больше, чем со сто-J роны раствора. Это избыточное число ударов и является причи­ной перемещения растворителя через поры мембраны туда, где его меньше, т.е. в область истинного или коллоидного раствори! Подобное объяснение переноса жидкости является кинетичес^ кой трактовкой причины осмоса.

Существует еще и термодинамическое объяснение осмотичео кого переноса. Химический потенциал чистой жидкости \к₂ пре*| вышает химический потенциал этой же жидкости в растворе ц, J Процесс идет самопроизвольно в сторону меньшего химическоиг потенциала до тех пор, пока не произойдет выравнивание хими* ческих потенциалов, т.е. до достижения условия ц₂ = ц^.

В результате перемещения жидкости в емкости 1 создае избыточное давление п, называемое осмотическим. Растворитель! проникающий в область раствора 7, поднимает уровень жидкс сти на высоту Я, что компенсирует давление чистого раствори* теля в сторону раствора. Наступает момент, когда вес столба жид! кости в области раствора уравнивается давлением растворителе Дальнейшего изменения уровня уже не произойдет, а вес столС жидкости над уровнем растворителя будет служить мерой осмо! тического давления.

Осмотическое давление возникает при движении чистого растворителя в сторону раствора или от более разбавленного раствора в сторону более концентрированного, а следовательно, связано с разностью концентраций растворенного вещества и раствррителя. Осмотическое давление — это такое избыточное давление над раствором, которое необходимо для исключения переноса растворителя через мембрану.

Осмотическое давление равно тому давлению, которое про­изводила бы дисперсная фаза (растворенное вещество), если бы она в виде газа при той же температуре занимала тот же объем, что и коллоидная система (раствор). Осмотическое давление не есть проявление какого-либо внешнего воздействия. Оно воз­никает самопроизвольно, как следствие молекулярно-кинетичес-ких свойств дисперсионной среды.

Высота подъема жидкости Н над первоначальным положе­нием раствора количественно определяет осмотическое давле­ние, которое обычно обозначают через п.

Для чистого растворителя и идеального раствора неэлектролитов осмотическое давление выразится формулой;

nV = RT /«(1-jc), (9.8, а)

где V — молярный объем растворителя; х — молярная доля растворенного ве­щества.

В случае разбавленных растворов неэлектролитов, когда х « 1, можно записать следующее уравнение:

(9.9)

Согласно определению осмотическое давление можно найти из уравнения состояния (9.9), где п — число молей растворенного вещества.

Если масса растворенного вещества равна q, а молекулярная его масса Af, то п = q/M\ тогда согласно уравнению (9.9) осмотическое давление равно

RT a RT

ц = п------- = -2--------- ГО 1(П

V V М ^(УШ;