Седиментационное равновесие
Познакомимся с еще одним явлением, связанным с молекулярно-кинетическими свойствам дисперсных систем.
Как известно, давление газа в атмосфере или соответствующая ему концентрация молекул газа изменяются с высотой в соответствии с законом Лапласа (гипсометрическая формула):
или , (2.15)
где Ро - давление газа на некотором начальном нулевом уровне; Р - давление газа на высоте h над этим уровнем; М - масса одного моля газа: g - ускорение силы тяжести.
Так как коллоидные системы подчиняются тем жe молекулярно-кинети-ческим законам, что и молекулярные растворы и газы, то естественно предположить, что распределение частиц в них по высоте должно происходить в соответствии с гипсометрической формулой. Отношение давлений газа на различных уровнях (Ро/Р) можно заменить отношением числа частиц в единице объема на этих же уровнях (n0/n), а массу одного моля (М) - произведением NAm (здесь NA-число Авогадро, m-масса одной частицы). Кроме того, надо учитывать потерю массы частицы в среде (закон Архимеда):
m = V (r -r0),
где r - плотность частиц, r° - плотность среды, V - объем частицы.
Тогда гипсометрическая формула примет следующий вид:
или (для шарообразных частиц).
. (2.16)
Подобно тому какв атмосфере газа устанавливается известное равновесие, описываемое законом Лапласа, в коллоидных растворах, микрогетерогенных системах с весьма малыми частицами (с радиусом частиц менее 1 мкм) под влиянием поля земного тяготения устанавливается равновесие, выражавшееся в распределении концентрации частиц по высоте. При отсутствии силового поля частицы должны были бы при наступлении равновесия равномерно распределиться в дисперсионной среде в результате диффузии. Под влиянием жe силового поля земного тяготения концентрация их с высотой убывает (если плотность дисперсных частиц r больше плотности дисперсионной среди r0).
Найдем высоту, на которой концентрация молекул или дисперсных частиц убывает вдвое, т. е.
:
,
откуда
. (2.17)
Видно, что эта высота обратно пропорциональна кубу радиуса частиц. Так, например, концентрация кислорода в воздухе уменьшается в два раза на высоте 5 км. Для газа с более крупными молекулами, например для брома, эта высота равна 1 км. Если вместо газа взять микрогетерогенную систему, например суспензию, частицы которой огромны по сравнению с молекулами газа, то высота, на которой концентрация дисперсных частиц упадет вдвое, будет очень мала и может измеряться в микрометрах.
Однако надо иметь в виду, что такое равновесие частиц в поле земного тяготения можно наблюдать лишь для коллоидных и весьма малых дисперсных частиц, размеры которых не превышают десятых долей микрометра. Для них сила тяжести уравновешивается диффузией, стремящейся выравнить концентрации частиц, и наступает так называемое седиментационное (а точнее, седиментационио-диффузионное) равновесие. Для систем с более крупными частицами (начиная с 1мкм) уже наблюдается седиментация (от лат. sedimentum -осадок), т. е. свободное их оседание (в жидкой или газообразной среде) под действием силы тяжести.
Для эмульсий (если плотность дисперсной фазы меньше плотности дисперсионной среды) седиментация (она называется обратной) заключается в всплывании капель эмульгированной жидкости.
Седиментация постепенно приводит дисперсную систему к упорядоченному состоянию, так как оседающие частицы располагаются в соответствии с их размерами (в нижних слоях преобладают крупные, затем более мелкие), а в конечном итоге - к расслоению: образованию высококонцентрированного слоя - осадка (например, в суспензиях) или, "сливок" (в эмульсиях) и слоя чистой дисперсионной среды.
Способность к седиментации часто выражают через константу седиментации, величина которой определяется как отношение скорости оседания к ускорению свободного падения:
Sсед. = J/g. (2.18)
Единицей константы седиментации является сведберг (1 сб = 10-13 с) или просто секунда. Константа седиментации, как и скорость оседания, зависит от размеров частиц, их плотности и плотности среды, температуры.
Величина, обратная константе седиментации, является мерой кинетической устойчивости дисперсной системы:
I/Sсед = g/J. (2.19)
Если при установившемся седиментационно-диффузионном равновесии основная масса частиц дисперсной фазы за сравнительно короткое время окажется в осадке, систему считают кинетически (седиментационно) неустойчивой. Если же частицы в основном остаются во взвешенном состоянии, система является кинетически (седиментационно) устойчивой. Как уже указывалось выше, первое характерно для микрогетерогенных систем (суспензий, эмульсий и т.п.), второе - для ультрамикрогетерогенных систем - коллоидных растворов (золей).
Подробно седиментационное равновесие изучил французский физик Перрен. Для этого он готовил суспензии гуммигута (нерастворимой в воде смолы), частицы которой были шарообразными и имели размер около 0,2 мкм. Наблюдая суспензию под микроскопом, Перрен нашел высоту, на которой концентрация суспензии уменьшилась вдвое. Эта высота составила 30 мкм. Подставив полученные данные в формулу (2.17), Перрен вычислил значение числа Авогадро, которое оказалось равным 6×1023, т.е. совпадающим со значениями, найденными ранее иными путями. Затем были проведены опыты еще с рядом суспензий и во всех случаях получены значения числа Авогадро, очень близкие к приведенному.
Проанализируем формулу седиментационного равновесия (2.16). Из нееследует: если известно, как изменяется число частиц или молекул в единице объема системы в зависимости от высоты, то можно определить их размеры. При этом обязательным условием точных расчетов является одинаковый размер всех частиц дисперсной системы (такие системы называются монодисперсными), так как в формулу входит только одно значение радиуса.
Дата добавления: 2015-10-11 | Просмотры: 1335 | Нарушение авторских прав
|