Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии - Фролов Ю. Г.
Скачать (прямая ссылка):
ьт
Д=-тг— (Ш. 9).
бяпг
Применительно к лиозолям справедлив осмотический закон Вант-Гоффа (относящийся обычно к растворам):
я = -дг- ИТ = v/г7, (III. 10)
"А
где я — осмотическое давление; V — число частиц в единице объема золя, т.е. частичная концентрация.
76
9г| ' У 2(р-р0)со2т
Для аэрозолей можно использовать газовый закон Клапейрона — Менделеева в следующей форме:
рУ = -^-^Г = гайГ (III. 11)
А
где га—число частиц в аэрозоле.
При осаждении частиц ультрамикрогетерогенных систем создается градиент концентраций, который является движущей силой диффузии частиц в направлении, обратном седиментации. При равенстве диффузионного и седиментационного потоков устанавливается так называемое диффузионно-седиментационное равновесие, характеризующее термодинамическую седиментационную устойчивость таких систем. Частичная концентрация на высоте й равна
Г ^(Р-Р»1|| ' (Щ. 12)
кТ
где VI) — концентрация частиц на высоте Л = 0.
Мерой термодинамической устойчивости к седиментации является высота Ке, на протяжении которой концентрация дисперсной фазы изменяется в е раз:
ке = = —-Д-- (III. 13)
т0т§ vg (р — р0)
Чем больше высота Ае, тем система термодинамически более устойчива к седиментации. Устойчивость повышается с ростом температуры, уменьшением размера частиц и разности плотностей частицы и среды.
Мерой кинетической устойчивости к седиментации является величина, обратная константе седиментации:
> = (ш. н)
6сед т07 2г1 (р — р0)
/
Как видно, кинетическую устойчивость к седиментации можно регулировать путем изменения вязкости и плотности среды, плотности и размеров частиц.
Относительное движение фаз дисперсных систем можно наблюдать также под действием электрического поля, что обусловлено наличием на межфазных поверхностях двойного электрического слоя, возникающего вследствие межфазного взаимодействия.
Различают три механизма образования двойных электрических слоев: 1) поверхностная диссоциация функциональных групп, 2) адсорбция ионов электролитов и 3) ориентирование полярных молекул на межфазной границе. В результате указанных взаимодействий поверхность со стороны одной фазы заряжается положительно, а со стороны другой — отрицательно.
Двойной электрический слой (ДЭС) состоит из заряженной поверхности с потенциалом ф0 и противоположно заряженной части слоя, в которой находятся противоионы (рис. 24). Одна часть противоионов примыкает непосредственно к поверхности, образуя плотный (адсорбционный) слой — слой Гельмгольца. Другая часть противоионов под действием теплового движения распространяется в глубь фазы, образуя так называемый диффузионный слой, или слой Гуи.
77
Рис. 24. Двойной электрический слой и изменение в нем потенциала.
Толщина плотного слоя Гельмголь-ца принимается равной диаметру про-тивоиона. Эту часть ДЭС можно рассматривать как плоский конденсатор, потенциал которого с увеличением расстояния от поверхности снижается линейно. По теории Гуи — Чепмена противоионы диффузной части ДЭС распределяются в поле поверхностного потенциала в соответствии с законом Больцмана. Теория показывает, что потенциал в диффузной части слоя снижается с расстоянием по экспоненте. При малом значении потенциала эта зависимость выражается уравнением
Ф-Фвв"*' ' (III. 15)
где ф6— потенциал диффузного слоя; х — расстояние от начала диффузной части ДЭС; х — величина, обратная толщине диффузной части слоя.
Из уравнения (III. 15) следует, что за толщину диффузной части слоя принято расстояние, на котором потенциал диффузной части слоя Фб уменьшается в е раз.
В соответствии с той же теорией толщина диффузной части слоя равна
1 =¦1 -Плоскость скольжения
+
I М111 ! 1 и 11 + + + 4-ч + +
!¦!. +ч\.+ +
г + + Г
V-
(III. 16)
где 80 — электрическая постоянная; 8 — относительная диэлектрическая проницаемость среды; Б — постоянная Фарадея; / — ионная сила раствора; с0; — концентрация иона в растворе; г,- — заряд иона электролита, 1
Из уравнения (III. 16) следует, что X уменьшается с ростом концентрации электролита, заряда его ионов и с понижением температуры.
При движении одной фазы относительно другой на плоскости скольжения происходит разрыв ДЭС (как правило, в диффузной части) и возникновение электрокинетического («дзета») ^-потенциала (см-рис.24).
Под действием электрического поля могут двигаться дисперсная фаза относительно дисперсионной среды (электрофорез) или дисперсионная среда относительно дисперсной фазы (электроосмос). Механическое движение дисперсной фазы относительно дисперсионной среды (седиментация) вызывает возникновение электрической разности потенциалов (потенциал седиментации). Если электрическая разность потенциалов возникает при движении дисперсионной среды относительно дисперсной фазы, то такое явление называют потенциалом протекания.
Наибольшее распространение из электрокинетических явлений получили электрофорез и электроосмос. Значение электрокинетического потенциала, возникающего при электрофорезе или электроосмосе, мож-
78
но рассчитать по уравнению Гельмгольца — Смолуховского: или
