Молекулярно кинетические свойства коллоидных растворов кратко

Обновлено: 05.07.2024

К молекулярно-кинетическим свойствам относят следующие свойства: диффузия, осмотическое давление, распределение частиц по высоте (гипсометрическое распределение). В коллоидных системах эти свойства определяются движением частиц дисперсной фазы – броуновским движением.

Современная теория броуновского движения, разработанная Эйнштейном и Смолуховским, считает, что оно имеет молекулярно-кинетическую природу, то есть является следствием теплового движения молекул дисперсионной среды. Путь частицы измерить невозможно и обычно определяют расстояние, на которое она смещается в единицу времени. Для количественных расчетов используют понятие среднего сдвига ±Δх, представляющего собой проекцию расстояния между двумя положениями частиц А и В за время t двух последовательных наблюдений. Формула для среднеквадратичного смещения частицы, вычисленного из большого числа измерений Δх за промежутки времени t, находится из уравнения А. Эйнштейна:

где t-время; N_A- число Авогадро; h- вязкость среды; r- радиус частиц дисперсной фазы; R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура.

Броуновское движение является причиной диффузии частиц в коллоидных системах. Диффузия – самопроизвольное выравнивание концентраций – наблюдается в любых дисперсных системах, частицы которых находятся в движении. Скорость диффузии пропорциональна разности концентраций и температуре, обратно пропорциональна вязкости дисперсионной среды и размеру диффундирующих частиц. Скорость диффузии коллоидных частиц намного меньше, чем скорость диффузии в молекулярных или ионных растворах. А. Эйнштейн установил связь коэффициента диффузии D со средним сдвигом:

Коллоидные растворы отличаются от истинных очень маленьким осмотическим давлением, которое по Вант-Гоффу определяется уравнением:

где π – осмотическое давление золя; с – число молей вещества в 1 л раствора.

Это уравнение можно записать и так:

где m₀ – масса вещества, растворенного в 1 л, которую можно представить как m₀ = mν; m – масса одной частицы; ν – частичная концентрация; М – масса 1 моля растворенного вещества.

Масса 1 моля растворенного вещества М равна произведению mN_A, где N_A – число Авогадро. Тогда

Следовательно, осмотическое давление зависит только от числа частиц в единице объема раствора и не зависит от природы и размера частиц. При одинаковой массовой концентрации частичная концентрация коллоидных растворов всегда меньше, чем у растворов истинных, поэтому и осмотическое давление коллоидных растворов должно быть небольшим.

Для двух коллоидных растворов с одинаковой массовой концентрацией, исходя из уравнения (13), можно записать:

Если принять, что коллоидные частицы имеют форму шара, то масса одной частицы равна:

m = 4/3πr 3 ρ, (15)

где r – радиус частицы, ρ – плотность вещества дисперсной фазы. Тогда частичная концентрация составит:

ν = m₀ / 1,33πr 3 ρ. (16)

Подставляя значения частичных концентраций в уравнение (14), получим:

Осмотическое давление коллоидного раствора обратно пропорционально кубу радиуса частиц дисперсной фазы. Этим объясняется не только малое осмотическое давление коллоидных систем, но и его непостоянство. В коллоидных системах очень легко идет агрегация (дезагрегация) частиц, размер их увеличивается (или уменьшается), соответственно изменяется и осмотическое давление.

Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов обусловлены хаотическим тепловым движением молекул дисперсионной среды и проявляются в броуновском движении, диффузии и осмосе.

5.2.1. Броуновское движение

Броуновское движение – это непрерывное беспорядочное движение частиц микроскопических и коллоидных размеров, не затухающее во времени. Это движение тем интенсивнее, чем выше температура и чем меньше масса частицы и вязкость дисперсионной среды.

Установлено, что броуновское движение обусловлено столкновениями молекул среды, находящимися в непрерывном тепловом движении, со взвешенными в ней частицами микроскопических или коллоидных размеров. В результате этих столкновений частицы получают огромное число ударов со всех сторон и приобретают поступательное, вращательное и колебательное движение.

Количественной характеристикой броуновского движения принято считать средний сдвиг частицы за времяt, т. е. отрезок прямой, соединяющей начальную точку движения (при t=0) с положением частицы в момент t в плоскости горизонтальной проекции, наблюдаемой в микроскоп.

Средний квадратичный сдвиг частицы при совершенной беспорядочности движения может быть вычислен на основании статистических законов:

где R – универсальная газовая постоянная; N_A – число Авогадро; Т – абсолютная температура; t – время наблюдения; η – коэффициент вязкости; r – радиус частицы.

5.2.2. Диффузия

Диффузией называется самопроизвольный процесс выравнивания концентрации молекул, ионов или коллоидных частиц под влиянием их теплового движения.

Процесс диффузии является необратимым, протекает до полного выравнивания концентраций, так как хаотическое распределение частиц отвечает максимальной энтропии системы.

Для количественного описания диффузии используется первый закон Фика:

где m – количество продиффундировавшего вещества; D – коэффициент диффузии; – градиент концентрации;S – площадь, через которую происходит диффузия; τ – продолжительность диффузии.

Коэффициент диффузии численно равен количеству вещества, диффундирующего через единицу площади в единицу времени при градиенте концентрации, равном единице.

А. Эйнштейн вывел уравнение, связывающее коэффициент диффузии D с абсолютной температурой Т, вязкостью дисперсионной среды η и радиусом частиц дисперсной фазы r:

Связь между средним квадратичным сдвигом частиц и коэффициентом диффузии дает уравнение Эйнштейна-Смолуховского:

5.2.3. Осмотическое давление

Если коллоидный раствор отделен от чистого растворителя (дисперсионной среды) полупроницаемой мембраной, не пропускающей коллоидные частицы, возникает односторонняя диффузия молекул растворителя в коллоидный раствор, называемая осмосом. Причиной осмоса является хаотическое движение частиц. Подобно броуновскому движению и диффузии, осмос является процессом самопроизвольным. Переход растворителя в коллоидный раствор будет происходить до тех пор, пока постоянно возрастающее гидростатическое давление раствора не воспрепятствует ему. Это давление называется осмотическим давлением.

Осмотическое давление π достаточно разбавленных коллоидных растворов может быть найдено по уравнению Вант-Гоффа для осмотического давления истинных растворов:

где М – масса одного моля растворенного вещества; с – массовая концентрация.

Для коллоидных растворов масса 1 моля вещества заменяется массой одной частицы, а массовая концентрация – частичной концентрацией.

Рассмотренные молекулярно-кинетические свойства характерны как для истинных, так и для коллоидных растворов, но у последних они выражены значительно слабее, так как при одной и той же массовой концентрации число частиц в коллоидном растворе значительно меньше, чем в истинном.

оптические явления, наблюдаемые при падении света на дисперсные системы, чем они обусловлены;

Коллоидные растворы – гетерогенные системы, состоящие из дисперсионной среды (непрерывная фаза), дисперсной фазы (прерывная) и стабилизатора.

Отличия от истинных растворов

Коллоидные (ультрамикрогетерогенные) системы

· Прозрачные, опалесцирующие – рассеивают свет, дают конус Тиндаля. Видимы в ультрамикроскоп.

· Фильтруются через бумажный фильтр

· Частицы задерживаются ультрафильтратами (целлофаны, пергамент)

· Относительно устойчивы, расслаиваются со временем

Молекулярные и ионные (истинные) растворы

· Прозрачные, неопалесцирующие, конус Тиндаля не наблюдается. Частицы не видимы в ультрамикроскоп.

· Частицы проходят через бумажный фильтр

· Частицы проходят через ультрафильтраты (мембраны)

· Устойчивы кинетически и термодинамически, не расслаиваются

КЛАССИФИКАЦИЯ

1. По размерам частиц

2. По агрегатному состоянию (границе раздела фаз)

3. По характеру взаимодействия дисперсной фазы
с дисперсионной средой:

4. По структурно-механическим свойствам

По природе дисперсионной среды

Способы получения золей

I. Дисперсионные - из грубодисперсных систем (измельчение)

a) Механическое дробление - осуществляют с помощью шаровых и коллоидных мельниц в присутствии жидкой дисперсионной среды и стабилизатора.

b) Электрическое диспергирование - используют для получения золей металлов. При получении органозолей (дисперсионная среда – органический растворитель) применяют высокочастотный искровой заряд.

c) Измельчение с помощью ультразвука (дробление почечных камней)

d) Пептизация - раздробление свежеприготовленных рыхлых осадков на отдельные коллоидные частицы при добавлении небольшого количества электролита - пептизатора. Пептизация имеет биологическое значение: рассасывание атероскле-ротических бляшек, почечных и печеночных камней, действие антикоагулянтов при тромбофлебитах сводится, в сущности, к явлению пептизации

II. Конденсационные – из истинных растворов (укрупнение).

a) Физические - метод замены растворителя.

Раствор вещества прибавляют к жидкости, в которой растворенное вещество мало растворимо и выделяется в виде высокодисперсной фазы. Золи серы, холестерина и канифоли получают добавлением спиртовых растворов этих веществ к воде.

b) Химические

1) Реакции восстановления

Формула мицеллы золя золота

2) Реакции окисления

мицелла MnO2 (при электрофорезе движется к аноду)

3) Реакции двойного обмена

4) Реакции гидролиза

Гидролиз используют для получения золей гидроксидов тяжелых металлов, повышая температуру и с увеличивая разведение.

Молекулярно-кинетические свойства.

1. Броуновское движение

При рассматривании в микроскоп тонкой суспензии (мастика) или эмульсии (разбавленное водой молоко) наблюдается хаотическое, беспорядочное движения частиц.

Броуновское движение в коллоидах отражает характер и законы теплового движения обычных молекул и описывается уравнением А.Эйнштейна - М.Смолуховского (1906):

Процесс направленного движения вещества из области бóльших концентраций в область меньших.

Масса диффундирующего вещества прямо пропорциональна коэффициенту диффузии, площади поперечного сечения, градиенту концентрации и времени.

Формула Стокса-Эйнштейна

По коэффициенту диффузии (D) можно определить размер коллоидных частиц и величину макромолекул

Процесс оседания частиц дисперсной фазы в жидкой или газообразной среде под действием силы тяжести

Закон Стокса

Исследование седиментационного равновесия проводят в ультрацентрифугах, которые позволяют превышать ускорение силы тяжести в сотни тысяч раз.

Формула Сведберга

Способность к седиментации выражают константой Сведберга (S) – отношением скорости оседания к ускорению свободного падения.

Единица измерения – Сведберг : S=1Сб=10 -13 сек

Ультрацентрифуги широко используются в химии белков, нуклеиновых кислот, вирусов и других клеточных структур для определения размера частиц и их фракционного состава.

Скорость оседания эритроцитов ( СОЭ )– один из методов клинического анализа крови.

Проба свежей крови выдерживается в вертикально расположенном капилляре. Скорость оседания наблюдается визуально по перемещению окрашенной границы между слоями.

В норме СОЭ не превышает 10-12 мм/ч

При патологии СОЭ возрастает в связи с уменьшением агрегативной и седиментационной устойчивости крови.

4. Осмотическое давление

Величина, измеряемая минимальным гидравлическим давлением, которое нужно приложить к раствору, чтобы осмос прекратился.

Движущая сила осмоса - стремление к выравниванию концентраций.

Растворитель устремляется в область повышенной концентрации вещества. Процесс прекращается, когда давление становится равным атмосферному.

Закон Вант-Гоффа

Осмотическое давление пропорционально числу частиц растворенного вещества в единице объема раствора и не зависит от природы и массы частиц.

Осмотическое давление вещества в растворе равно тому давлению, которое оно оказывало, если бы находилось в том же объеме, будучи в газообразном состоянии.

Для 1М раствора любого вещества при T = 273 К; Р_осм = 2,27·10 6 Па (22,4 атм.).

Осмотическое давление коллоидных растворов незначительно и проводить наблюдения в обычных условиях очень трудно.

Коллоидная частица по сравнению с обычной молекулой обладает очень большой массой,поэтому при одинаковой массовой концентрации в коллоидном растворе содержится во много раз меньшее число частиц коллоида, чем в истинном растворе.

1%-ый коллоидный раствор золя золота с частицами в 1 ммкм имеет осмотическое давление, примерно в 20 раз меньше, чем 1%-ого раствора сахара при этих же условиях.

Лизис, плазмолиз, гемолиз.

· Лизис - разрыв клетки при введении гипотонического по отношению к крови раствора.

· Гемолиз - разрыв эритроцитных оболочек при введении гипотонического по отношению к крови раствора.

· Плазмолиз - обезвоживание эритроцитов при введениигипертонического по отношению к крови раствора.

Осмотическое давление крови человека составляет 7.4-7.8 атм.

Начальная стадия гемолиза происходит при местном снижении осмотического давления до 3,5–3,9 атм, а полный гемолиз при 2,5- 3,0 атм.

Закон Рэлея

I и I₀ - интенсивности рассеянного и падающего света,

v - число частиц в 1 м 3 золя

V - объем отдельной частицы,

К - константа, зависящая от коэффициентов преломления фазы и среды.

Из уравнения следует, что короткие волны (синяя и фиолетовая часть спектра) рассеиваются сильнее, чем длинные волны (желто-красная часть спектра).

Опалесценция-явление рассеяния света мутной средой, обусловленное её оптической неоднородностью.

Наблюдается матовое свечение (чаще всего голубоватых оттенков) при освещении большинства коллоидных растворов.

Конус Тиндаля

В основе эффекта лежит рассеяние видимого света коллоидными частицами, которое связано с размерами коллоидных частиц и длиной волны падающего света.

Частицы, размеры которых соизмеримы с длиной полуволны r=1/2λ, а именно такими являются коллоидные частицы, рассеивают свет во все стороны: световые волны, наталкиваясь на подобные частицы, огибают их, и луч отклоняется от прямой линии (явление дифракции света).

Конус Тиндаля тем ярче, чем выше концентрация и больше размер частиц. Интенсивность светорассеяния резко увеличивается с уменьшением длины световой волны.

Высокодисперсные системы рассеивают более короткие световые волны и поэтому имеют голубоватую окраску.

Нефелометрия

Нефелометр имеет два одинаковых цилиндрических сосуда, один из которых наполняется исследуемым коллоидным раствором, а другой стандартным. Сосуды освещаются сбоку сильным пучком параллельных лучей, при этом наблюдается явление Фарадея–Тиндаля.

Интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна числу частиц в единице объема, поэтому отношение высот обратно пропорционально числу частиц в единице объема:

h₁, h₂ — высота жидкости в сосудах;

С₁ и С₂ — концентрация золей.

Ультрамикроскопия

Дифракционное светорассеяние коллоидных систем используется в ультрамикроскопе. В обычном микроскопе луч света попадает в глаз наблюдателя, в ультрамикроскопе - лучи от источника света падают на исследуемый раствор под прямым углом к тубусу, не попадая в глаз.

Строение коллоидных частиц

Схема мицеллы золя гидроксида железа Схема мицеллы золя сульфида мышьяка

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.01)

Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем

Подобно молекулам истинного раствора, коллоидные частицы золей находятся в непрерывном беспорядочном движении. Интенсивность движения быстро уменьшается по мере увеличения размеров частиц. Непрерывное движение препятствует оседанию частиц и является одной из причин устойчивости коллоидных систем. Беспорядочное движение коллоидных частиц получило название броуновского движения — по имени первого его наблюдателя ботаника Р. Броуна. Причиной видимого движения коллоидных частиц является невидимое движение молекул растворителя, непрерывно сталкивающихся с коллоидными частицами.

Так как коллоидные частицы обладают тепловым движением, то для них характерно явление диффузии. Связь между средним смещением частицы — Д/ за время т и коэффициентом диффузии была установлена теоретически А. Эйнштейном и выражается следующей формулой:

где D — коэффициент диффузии, равный количеству вещества, переходящему за 1 с через сечение в 1 см 2 , когда разность концентрации на расстоянии 1 см равна единице:

где R — универсальная газовая постоянная; Т — температура системы, К; г — радиус частиц; г| — вязкость среды; N — число Авогадро.

На основании измерений D (см 2 с 1 ) можно определить г взвешенных частиц и молярную массу распределенных веществ различной степени дисперсности. Для измерения величины D определяют скорость изменения концентрации в заданном слое — по изменению показателя преломления, поглощения света и другими методами.

Осмотическое давление коллоидных растворов ничтожно мало по сравнению с осмотическим давлением истинных растворов. Если взять для приготовления истинного и коллоидного растворов равные количества вещества, то частицы коллоидного раствора будут крупнее, чем частицы истинного раствора, а поэтому и число их будет меньше.

В коллоидных системах наблюдается своеобразное распределение коллоидных частиц по высоте. В нижних слоях раствора концентрация частиц дисперсной фазы значительно выше, чем в верхних. Такое распределение частиц называется перреновским седиментационным равновесием. Подобное распределение коллоидных частиц по высоте раствора аналогично распределению газов в атмосфере. Если коллоидную систему, имеющую указанное распределение частиц, вывести из этого равновесия, например, путем взбалтывания раствора, то через некогорое время она снова придет в прежнее состояние. Скорость установления седиментационного равновесия сравнительно мала (измеряется днями), однако оно сохраняется в системе в течение неопределенно долгого времени.

Характеристикой кинетической устойчивости является гипсометрический закон, который применительно к коллоидным системам имеет вид

где h — высота слоя, в котором концентрация частиц изменяется от п_х до п₂; N — число Авогадро; т — масса частицы; g — ускорение силы тяжести; р — плотность вещества дисперсной фазы; р₀ — плотность дисперсионной среды.

Это уравнение позволяет определить мицеллярную массу диспергированного вещества.

Читайте также: