Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов

Частицы в коллоидных системах, так же как молекулы в истинных растворах, находятся в непрерывном хаотическом движении. Для коллоидных частиц это движение получило название броуновское движение. Коллоидные частицы перемещаются под воздействием ударов, наносимых им молекулами среды, находящимися в тепловом движении. При размере частиц более 5 мк (5 10-6 м) броуновское движение прекращается. броуновское движение частиц можно наблюдать при использовании микроскопа.

Ввиду хаотичности движения невозможно определить истинный путь коллоидной частицы. Ее путь характеризуют так называемым средним сдвигом х (среднее квадратичное значение проекции смещения частицы по оси абсцисс параллельно выбранному направлению):


где n – число сдвигов.


Следствием движения частиц является самопроизвольный процесс выравнивания их концентраций по объему. Этот процесс называется диффузией. Диффузия является макроскопическим проявлением теплового движения молекул. Законы диффузии сформулированы Фиком (1855 г.).
закон Фика
где m – количество ( в молях) диффундирующего вещества;
dc/dτ – градиент концентрации диффундирующего вещества;
S – площадь поверхности, через которую происходит диффузия;
                                   τ- время; D – коэффициент диффузии.

Величина коэффициента диффузии зависит от свойств диффундирующих частиц и среды. Чем больше размер частиц, тем меньше коэффициент диффузии и скорость процесса.

м2/с,     уравнение Эйнштейна

где R – газовая постоянная (8,31 Дж/моль град);
Т – абсолютная температура, К;
N – число Авогадро (6,02 × 1023);
r – радиус частицы, м;
η – вязкость среды, Н × с /м2.

Поскольку размеры коллоидных частиц намного больше размера молекул, скорость диффузии и коэффициент диффузии (D) частиц дисперсной фазы в коллоидных растворах значительно меньше, чем в истинных растворах.

Уравнение Эйнштейна позволяет определить молярную массу диффундирующего вещества (М) и радиус его частиц (r):

, м


M = Vчастицы γ N,   где γ – плотность вещества, N - число Авагадро.

Эти следствия уравнения Эйнштейна часто используют для определения размера коллоидных частиц и их молярной массы, имея в наличии результаты экспериментального измерения коэффициента диффузии.

Для коллоидных растворов установлена связь между средним сдвигом коллоидной частицы и коэффициентом диффузии. Эта зависимость носит название уравнение Эйнштейна - Смолуховского.




Коллоидные растворы, так же как истинные растворы, характеризуются осмотическим давлением (р).

Осмотическое давление - это избыточное гидростатическое давление на раствор, отделённый от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану.

Представим два сосуда, помещенные один в другой. Внешний сосуд заполнен водой (чистым растворителем). Внутренный сосуд имеет дно, выполненное из полупроницаемого материала, и трубку, в которую возможен подъем жидкости. Внутренний сосуд заполнен раствором. Полупроницаемая перегодка может пропускать только молекулы воды. Хотя вода может диффундировать в обе стороны от перегодки, скорость ее прохождения из внешнего сосуда во внутренний будет больше, чем в обратном направлении. Количество жидкости во внутреннем сосуде будет увеличиваться, жидкость будет подниматься по трубке вверх. Описанное явление самопроизвольного перехода растворителя в раствор, отделенный от него полупроницаемой перегородкой, называется осмосом.

По мере подъема жидкости в трубке происходит повышение гидростатического давления, под которым находится раствор во внутреннем сосуде. В результате этого происходит увеличение скорости перехода молекул воды из внутреннего сосуда во внешний. При некоторой высоте столба жидкости в трубке определенном гидростатическом давлении) скорости двух направленных навстречу друг другу процессов сравняются. Подъем жидкости в трубке прекратится. Давление, которое отвечает такому равновесию, называется осмотическим давлением.

Осмотическое давление в разбавленных растворах не зависит в явной форме от природы растворенного вещества и растворителя, но очень сильно зависит от концентрации, а точнее, от числа частиц растворенного вещества в единице объема раствора. Эта зависимость описана уравнением Вант-Гоффа:

где с – концентрация частиц в растворе , кг/м3;
     М – молярная (мицеллярная) масса, кг/моль.

Осмотическое давление раствора пропорционально числу отдельных частиц, принимающих участие в молекулярно-тепловом движении. Так как число таких частиц при той же молярной концентрации в коллоидном растворе значительно меньше, чем в истинном, осмотическое давление коллоидных растворов мало.
Осмотическое давление коллоидных растворов также часто бывает непостоянным из-за изменения числа частиц вследствие их соединения или разрушения.