АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Диффузия. Диффузией называют самопроизвольный процесс выравниванияконцентраций частиц по всему объему системы под влиянием теплового (или броуновского) движения.

Диффузией называют самопроизвольный процесс выравниванияконцентраций частиц по всему объему системы под влиянием теплового (или броуновского) движения.

Броуновское движение хаотично и беспорядочно. Но если в системе имеются участки с различной концентрацией частиц, то суммарное число смещений будет всегда больше со стороны участка с высокой концентрацией и высоким химическим потенциалом m в сторону участка, более разбавленного и с меньшим химическим потенциалом. В конце концов концентрации и химические потенциалы по всему объему системы выравниваются.

Процесс диффузии всегда необратим. Он идет самопроизвольно, по­скольку сопровождается увеличением энтропии системы. Равномерное распределение вещества в системе отвечает наиболее вероятному ее состоянию.

Количественно диффузия может быть описана уравнением, выражающим первый закон Фика в дифференциальной форме:

dm/dt = DS(-dc/dx), (2.6)

где dm/dt - масса вещества, продиффундировавшего за единицу вре­мени, S- площадь поперечного сечения, через которое диффундирует вещество; dc/dx. - градиент концентрации, т.е. изменение кон­центрации на единицу расстояния в направлении процесса диффузии (величина, характеризующая степень невыравненности концентрации в системе). Знак минус указывает, что диффузия идет в сторону уменьшения концентрации; D - коэффициент диффузии.

Физический смысл величины D легко установить на основе уравнения (2.6), перенеся в правую его часть все члены, кроме dm

(dm = (-dc/dx) ×D× S×dt) (2.7)

и приняв S, dt, -dc/dx равными единице:

dm = D. (2.8)

Тогда коэффициент диффузии будет численно равен массе вещества, продиффундировавшего в единицу времени через единицу площади при градиенте концентрации, равном единице. Другими словами, коэффи­циент диффузии - это количественная мера диффузии в стандартных условиях или удельная скорость, характеризующая способность данного вещества к диффузии.

Размерность коэффициента диффузии

.

Эйнштейн установил (I906 г.) связь между коэффициентом диффузии, размерами частиц и другими физическими характеристиками систем (смеси газов, истинного или коллоидного раствора), в которых про­исходит диффузия:

, (2.9)

где R- универсальная газовая постоянная, Т -температура. N_А – число Авогадро, h -вязкость газа, растворителя или дисперсионной среды, r -радиус диффундирующих молекул или сферических частиц.

Согласно уравнению (2.9), величина D, являясь обратно пропорцио­нальной размеру диффундирующих частиц, зависит от него чрезвычайно сильно. Так, при 20°С для сахара D = 6×10^-12м²/с, для высокомолекулярного полистирола D = 8,3×I0^-10м²/с, для коллоидных частиц D = 5×10^-13 м²/с. Если учесть, что и частичные концентрации (а следовательно, и значения dc/dx) в коллоидных растворах весьма малы, становится понятным на основании уравнения (2.6), почему скорость диффузии в коллоидных растворах в сотни и ты­сячи раз меньше, чем скорость диффузии молекул в истинных раство­рах и газовых смесях. Например, для коллоидных частиц, характери­зующихся значением D = 5×1О^-7 м²/с, время про­хождения 1 см составит около трех лет, тогда как для молекул - несколько часов. Таким образом, отмечаем весьма медленную, но все же измеримую диффузию.

Из этого же уравнения следует, что коэффициент диффузии возраста­ет с повышением температуры и уменьшается с повышением вязкости растворителя или дисперсионной среды.

Для частиц несферический формы в уравнении (2.9) выражение 6phr заменяется более сложными выражениями. Причем для несферических частиц величина D меньше, чем для сферических частиц равной массы.

Уравнение (2.9) является одним из основных в коллоидной химии. С его помощью, зная коэффициент диффузии, можно определить размер (степень дисперсности) и массу частиц. Конечно, получают эффективные характеристики, т. е. характеристики для таких сферических частиц, которые диффундировали бы с той же скоростью, что и реальные частицы в исследуемой системе.

Значение коэффициента диффузии находят экспериментально двумя путями.

1. Измеряют скорость изменения концентрации в слое раствора, в котором происходит диффузия. При этом концентрацию чаще всего оп­ределяют оптическими методами, измеряя показатель преломления, по­глощения света, оптическую плотность раствора и т. п.

2. На основании наблюдения за броуновским движением D и радиус r вычисляют по данным о среднем смещении частиц, поскольку D связан с зависимостью (2.1): = 2Dt. Этот путь используется в тех случаях, когда по dm/dt определить D затруднительно.

Так как диффузия зависит от температуры и вязкости среды, D обычно вычисляют при 20 °С и вязкости воды (D_{20, w}). В качестве примера в табл. 2.2 приведены значения D_{20, w} для некоторых веществ.

Таблица 2.2

Коэффициенты диффузии некоторых веществ

Диффузионный метод определения размера и массы частиц, основанный на уравнении (2.9), находит широкое применение и дает надежные резуль­таты именно для коллоидов.

В некоторых случаях измерениями диффузии пользуются для исследова­ния процессов ассоциации или дезагрегации частиц в растворе.

Кроме коэффициента поступательной диффузии может быть также измерен коэффициент вращательной диффузии, обусловленной вращательным действием броуновского движения. Для этого вызывают искусственную ориентацию частиц в растворе, например, действием электрического поля, которое затем в определенный момент внезапно выключается, и оптическими методами измеряют скорость само­произвольной дезориентации частиц. Для ориен­тации частиц может быть использовано и течение раствора. Для сфери­ческих частиц коэффи­циент вращательной диф­фузии q₀ связан с радиусом r следующим уравнением:

q₀ = . (2.10)

Сравнивая уравнения (2.8) и (2.5), получаем q₀ = .

(Для асимметричных частиц q находят по другому уравнению).

Дата добавления: 2015-10-11 | Просмотры: 988 | Нарушение авторских прав