Уравнение дебая для дисперсных систем

Оптические свойства дисперсных систем.

Изучение оптических свойств коллоидных систем связано с практической задачей определения дисперсности или концентрации дисперсной фазы.

Как и молекулярные растворы, коллоидные системы поглощают и преломляют свет. Вместе с этим у них особенно ярко проявляется способность к светорассеиванию (опалесценции). Объясняется эта их характерная особенность соизмеримостью размеров коллоидных частиц с длинной световых волн видимой части спектра: 2r

λ. Теория светорассеивания разработана Рэлеем. Закон Релея устанавливает зависимость интенсивности опалесценции I от размера частиц, концентрации и показателей преломления ( при r 3 ), V — объем каждой частицы (м 3 ), n₁ и n₀ — показатели преломления соответственно дисперсной фазы и среды, λ — длина волны падающего света.

Уравнение Релея можно записать в ином виде:

Чтобы ввести в уравнение концентрацию c, умножаем произведение νV на плотность вещества γ:

Объем частицы V в уравнение заменяем на 4/3πr 3 . Все постоянные величины, включая и γ, объединяются в константу К.

Отсюда следует, что отношение интенсивности рассеянного света к интенсивности падающего света, получившее название мутности и обозначающееся τ, пропорционально концентрации диспергированного вещества и радиусу его частиц. В определенной области концентраций зависимость τ = f(c) является линейной.

Одним из первых методов исследования коллоидных растворов, основанных на их опалесценции, является ультрамикроскопия. С помощью ультрамикроскопа Зигмонди можно подсчитать число частиц ν в определенном объеме доля W( берут среднее число из сотен подсчетов). Если cW — масса частиц, видимых в объеме W, то масса одной частицы равна m = принимая форму частиц за шарообразную, легко рассчитать радиус частиц r :

(м).

Если же частицы имеют форму кубика, то находят длину ребра l:

Где V— объем частицы. ( В настоящее время Б.В. Дерягиным и Г.Я. Власенко разработан более точный и удобный метод поточной ультрамикроскопии, о котором уже упоминалось в разделе I.)

Светорассеяние коллоидных растворов измеряется с помощью нефелометров различных систем. В частности, нефелометрия позволяет определить концентрацию или размеры частиц дисперсной фазы. Сущность метода заключается в сравнении мутностей τ₁ и τ₂ двух систем, концентрация (или дисперсность) одной из которых известна. Освещая кюветы с золями равномерно падающим светом и меняя высоту освещенной части золей h₁ и h₂, добиваются равенства интенсивности света, рассеянного обоими золями. Тогда справедливо равенство:

а так как мутность τ пропорциональна концентрации с, то

Основываясь на теории Релея, Дебай предложил расчетную формулу, связывающую мутность раствора с размером его частиц

где c —концентрация( кг/м 3 ), H— обобщенная константа, M— молекулярный или мицеллярный вес вещества. Уравнение Дебая справедливо для сильно разбавленных растворов(подробнее метод Дебая описан в гл. VII).

Опалесценцию можно наблюдать не только в боковом освещении, но также измеряя интенсивность прошедшего света.

При прохождении через систему интенсивность падающего света ослабляется вследствие поглощения или рассеяния, причем согласно закону Ламберта-Бера

Где I— интенсивность прошедшего света, d— толщина поглощающего слоя(м), с— концентрация вещества(кг/м 3 ), ε— индивидуальная константа, зависящая от природы вещества, длины световой волны и не зависящая от концентрации раствора.

Логарифм отношения интенсивности падающего света к интенсивности прошедшего света называется оптической плотностью системы D_λ:

Применимость закона Ламберта-Бера проверяется графически: зависимость D_λ от концентрации c должна быть линейной. Если система подчиняется этому закону, то, измерив оптическую плотность, можно по калибровочной прямой найти неизвестную концентрацию вещества.

В определенной области концентраций уравнение Ламберта-Бера применимо и к золям. Для этого одно из двух оптических явлений ( опалесценция или поглощение света) должно доминировать. Примером могут служить гидрозоли кубовых и сернистых красителей, органических пигментов и т. д. — ярко окрашенных, но слабо мутных.

Наоборот: белые золи TiO₂, SiO₂, Al(OH)₃, латексы бесцветны, но мутны. В этом случае D_λ также будет расти с концентрацией линейно, что дает возможность применить оптический метод для определения концентраций золей. Для определения D_λ служат различные колориметры и фотометры.

Помимо сказанного, для белых золей Геллер установил зависимость общего вида между оптической плотностью D_λ и длинной волны:

Где λ — длина волны падающего света, α — коэффициент, величина которого меняется от 1 до 4 в соответствии с диаметром частиц.

Эта зависимость имеет большое практическое значение, так как позволяет по экспериментально определенным величинам D_λ при нескольких значениях λ определить размеры частиц золя. Для этого достаточно построить прямую в координатах lgD_λ = f(lgλ); тангенс угла наклона прямой равен коэффициенту α (это легко показать, прологарифмировав основное уравнение: lgD _λ= lgK-αlgλ). Далее по калибровочной кривой Геллера для латексов, построенной в координатах α = f(d), и находят средний диаметр частиц исследуемой системы.

Показатель α можно определить также по методу Теорелла: пользуясь всего двумя светофильтрами, получают два значения D_λ для двух длин волн (желательно, чтобы различия в величинах λ было возможно большим); затем, пользуясь соотношением

находят величину α. По α, как было указано, графически определяют размеры частиц.

Дата добавления: 2015-07-11 ; просмотров: 328 | Нарушение авторских прав

Определение заряда коллоидной частицы (правило 6)

Правила составления мицелл

1. Основа мицеллы – агрегат, нерастворимый в данной дисперсионной среде, состоящий из множества (m) молекул (атомов) простого вещества.

2. Согласно правилу Пескова-Фаянса-Панета, на поверхности агрегата адсорбируются ионы электролита-стабилизатора, входящие в состав агрегата, либо имеющие общую природу с ним, либо специфически взаимодействующие с ним и находящиеся в избытке. Ионы, сообщающие агрегату поверхностный заряд, называются потенциалопределяющими. Агрегат + потенциалопределяющие ионы = ядро мицеллы.

3. Заряд ядра компенсируется эквивалентным количеством противоположно заряженных ионов электролита-стабилизатора – противоионов. Часть противоионов, прочно связанных с ядром, входит в адсорбционныйслой. Агрегат + адсорбционный слой = коллоидная частица (имеет заряд).

4. Остальная часть противоионов образует диффузионный слой.

5. Суммы электрических зарядов коллоидной частицы и диффузионного слоя равны друг другу по абсолютной величине и противоположны по знаку.

6. Электрический заряд коллоидной частицы равен алгебраической сумме электрических зарядов потенциалопределяющих ионов и противоионов адсорбционного слоя.

7. Мицелла гидрофобного золя является электронейтральной, т.е. алгебраическая сумма электрических зарядов ионов всех слоев равна нулю

Для любого типа реакции одно из исходных веществ берут в избытке по сравнению со стехиометрически необходимым соотношением:

Na3AsO3+ 3AgNO3→ ↓Ag3AsO3+ 3NaNO3

Электролитическая диссоциация электролита, взятого в избытке:

Na3AsO3« 3Na++ AsO33-

Агрегат Потенциалоп- Противоионы Ионы

ределяющие адсорбционного диффузионного

ионы слоя слоя

Адсорбционный слой Диффузионный слой

Здесь m, n, x – натуральные числа;

m – число молекул в агрегате;

n – число потенциалопределяющих ионов;

(n – x) – число противоионов адсорбционного слоя;

x – число противоионов диффузного слоя.

Численный коэффициент 3 перед (n – x) и х поставлен ввиду трехосновности аниона AsO33-.

Определение заряда коллоидной частицы (правило 6)

Для проверки правильности записи формулы мицеллы подсчитывают алгебраическую сумму зарядов всех ионов (правило 7):

Коллоидная частица имеет отрицательный заряд, мицелла в целом электронейтральна.

МИЦЕЛЛООБРАЗОВАНИЕ В РАСТВОРАХ

1. Какие вещества называют поверхностно-активными (ПАВ)?

2. Как классифицируют ПАВ?

3. Чем отличаются коллоидные ПАВ от истинно растворимых? Что называется критической концентрацией мицеллообразования (ККМ)?

4. Что такое поверхностная активность коллоидных ПАВ?

5. Как зависит форма мицелл от концентрации ПАВ в растворе? Каким образом ориентируются молекулы ПАВ в мицеллах в полярной и неполярной средах?

6. Какое явление называют солюбилизацией? Чем обусловлено это явление? Каково практическое значение этого явления?

7. Факторы, влияющие на ККМ в растворах ПАВ:

1) влияние длины углеводородного радикала на ККМ в разных по полярности растворителях;

2) влияние природы полярной группы молекулы ПАВ;

3) влияние добавокиндифферентного электролита на ККМ ионогенных и неионогенных ПАВ;

4) зависимость мицеллообразования от температуры, точка Крафта.

8. Условия образования мицеллярных растворов ПАВ.

9. Методы определения ККМ. Почему при концентрации выше ККМ поверхностное натяжение растворов ПАВ не изменяется?

10. Как влияет явление мицеллообразования на подвижность ионов?

1. Что такое защитное действие ВМС?

2. Механизм образования защитного действия.

3. Что такое флокуляция?

4. Что такое сенсибилизация?

5. Действие стабилизаторов.

6. Особенности белков как стабилизаторов. Смешанные пленки.

7. Влияние заряда на прочность макромолекул.

8. Что такоеосмотическое расклинивающее давление?

1. Перечислить три механизма образования двойного электрического слоя (ДЭС).

2. Строение ДЭС.

3. Факторы, влияющие на z-потенциал:

б) добавка индифферентного электролита;

в) добавка неиндифферентного электролита;

д) концентрация золя;

ж) природа дисперсионной среды.

4. Особенности белковых веществ как коллоидов: строение ДЭС в кислой и щелочной средах.

5. Обоснование возможности разделения белков электрофорезом.

6. Изоэлектрическая точка белков.

АДСОРБЦИЯ И ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ НА ГРАНИЦЕ «ЖИДКОСТЬ-ГАЗ»

1. Что называется поверхностным натяжением? Единицы измерения?

2. Методы измерения поверхностного натяжения (4 самых распростра-ненных метода).

3. Что лежит в основе определения поверхностного натяжения по методу Ребиндера? Работа установки. Формула расчета поверхностного натяжения по методу наибольшего давления воздуха в пузырьке.

4. Зависимость поверхностного натяжения жидкости от температуры.

5. Почему жидкость стремится принять форму шара?

6. *Что такое поверхностно-активные вещества? Их структура? Привести примеры.

7. Как поверхностное натяжение зависит от концентрации для ПАВ (поверхностно-активных веществ) и ПИВ (поверхностно-инактивных веществ)?

8. Понятие Гиббсовской адсорбции, её размерность и физический смысл.

9. Зависимость Гиббсовской адсорбции от концентрации, от температуры.

10. Что такое поверхностная активность вещества? Анализ уравнения Гиббса.

11. Как определить поверхностную активность графическим методом?

12. У какого из этих веществ поверхностная активность будет больше: СН3СООН; С2Н5СООН; С3Н7СООН и т.д.?

13. Понятие предельной адсорбции.

14. Как определить площадь, приходящуюся на одну молекулу в насыщенном адсорбционном слое? Зависит ли эта площадь от длины радикала?

15. Как определить линейные размеры молекулы ПАВ по величине адсорбции?

16. Какие характеристики и величины можно рассчитать, исходя из уравнения Гиббса?

АДГЕЗИЯ, СМАЧИВАНИЕ И РАСТЕКАНИЕ ЖИДКОСТЕЙ

1. Что такое адгезия? Определение, единицы измерения. Работа адгезии.

2. Что такое когезия? Определение, единицы измерения. Работа когезии.

3. Уравнение Дюпре. Условие растворения.

4. Что такое смачивание? Нарисовать векторы сил, действующих на каплю жидкости, помещенную на твердую поверхность.

5. Что такое краевой угол смачивания? Как по нему оценить гидрофильность/гидрофобность поверхности?

6. Закон Юнга.

7. Уравнение Дюпре-Юнга.

8. Растекание жидкости. Эффект Марангони.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ АДСОРБЦИЯ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА

«ЖИДКИЙ РАСТВОР – ТВЕРДЫЙ АДСОРБЕНТ»

1. Что называется адсорбцией? Что такое адсорбент, адсорбат и адсорбтив? Количественные характеристики адсорбции (абсолютная и избыточная величины).

2. Дайте определение изотермы, изостеры и изопикны адсорбции. Их графическое построение.

3. При каких условиях соблюдается при адсорбции закон Генри? Физический смысл константы Генри?

4. Уравнение изотермы мономолекулярной адсорбции Ленгмюра. Анализ его, физический смысл входящих в него величин. При каких условиях это уравнение применимо?

5. Чем отличаются константы адсорбции в уравнениях Ленгмюра и Генри, какова взаимосвязь между ними?

6. Уравнение Фрейндлиха, физический смысл входящих в него констант. Область применения.

7. Как определяют константыуравнения Ленгмюра и Фрейндлиха?

8. Какие геометрические характеристики можно рассчитать, зная константы уравнения Ленгмюра?

9. Какова ориентация молекул ПАВ на поверхности адсорбента в случае предельной адсорбции (нарисовать)? Чем определяется величина площади молекулы в адсорбционном слое?

10. Какие формулы используют для расчета величины адсорбции из экспериментальных данных?

11. На чем основано измерение удельной поверхности твердых адсорбентов?

12. Чем отличается адсорбция из растворов от адсорбции газовипаров?

ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

1. Какие оптические явления наблюдаются при падении луча света на дисперсную систему? Какие методы исследования дисперсных систем основаны на этих явлениях?

2. Какие оптические методы используются для определения размеров частиц дисперсных систем? Укажите границы применимости (по дисперсности) этих методов.

3. Чем обусловлено светорассеяние в дисперсных системах и истинных растворах? Какими параметрами количественно характеризуют рассеяние света в системе?

4. Какова связь между оптической плотностью и мутностью «белых» золей? Для каких дисперсных систем применимо уравнение Рэлея?

5. Как влияют размеры частиц на зависимость оптической плотности «белых» золей от длины волны падающего света?

6. Чем различаются методы нефелометрии и турбидиметрии? Какие уравнения используются для определения характеристик рассеяния света?

7. Для каких дисперсных систем применимо уравнение Дебая? Какие параметры дисперсных систем определяют по методу Дебая?

8. В чем заключаются особенности метода ультрамикроскопии? Для каких дисперсных систем применим этот метод? Какие характеристики дисперсных систем могут быть определены этим методом?

Лабораторная работа № 10

СЕДИМЕНТАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ СУСПЕНЗИЙ

1. Понятие о дисперсных системах, количественные характеристики дисперсных систем (Лекция №1).

2. Цель седиментационного анализа. Практическое применение результатов седиментационного анализа.

3. Методика седиментационного анализа.

4. Закон Стокса. Номограмма Стокса, её использование.

5. Что такое седиментация? Какие силы действуют на частицу?

6. Напишите уравнение Стокса для скорости оседания частиц. Каков физический смысл входящих в него величин? Изменением каких параметров системы можно изменять скорость осаждения частиц?

7. Кривая седиментации полидисперсной системы. Как определяют размеры частиц, используя кривую седиментации?

8. Определите по графику массу фракции, радиус частиц которой равен или больше радиуса в данной точке.

9. Определите по графику массу фракции для заданного интервала размеров (например от радиуса r3до r4).

10. Что можно определить, используя дифференциальную кривую распределения частиц по размерам?

11. Как определить содержание частиц для данного интервала размеров по дифференциальной кривой распределения?

12. Как рассчитать удельную поверхность дисперсной фазы Sуд?

Химия : Дисперсные системы. Оптические свойства и методы исследования дисперсных систем

Дисперсные системы. Оптические свойства и методы исследования дисперсных систем

Дисперсной называют систему, в которой одно вещество распределено в среде другого, причем между частицами и дисперсионной средой есть граница раздела фаз. Дисперсные системы состоят из дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Дисперсная фаза — это частицы, распределенные в среде. Ее признаки: дисперсность и прерывистость (рис. 1.1.1.1).

Дисперсионная среда — материальная среда, в которой находится дисперсная фаза. Ее признак — непрерывность.

Поверхность раздела фаз характеризуется раздробленностью и гетерогенностью. Раздробленность характеризуется:

1) степенью дисперсности: , [см-1; м-1], где ?S — суммарная межфазная поверхность или поверхность всех частиц дисперсной фазы; V — объем частиц дисперсной фазы.

2) дисперсностью — величиной, обратной минимальному размеру:

3)удельной поверхностью: , [м2/кг; см2/г]; ??где m — масса частиц дисперсной фазы.

4) кривизной поверхности: . Для частицы неправильной формы ,

где r1 и r2 — радиусы окружностей при прохождении через поверхность и нормаль к ней в данной точке двух перпендикулярных плоскостей.

Оптические свойства и методы исследования дисперсных систем

Оптические свойства дисперсных систем обусловлены взаимодействием электромагнитного излучения, обладающего определенной энергией, с частицами дисперсной фазы. Особенности оптических свойств дисперсных систем определяются природой частиц, их размерами, соотношением между длиной волны электромагнитного излучения и размерами частиц. Одним из характерных оптических свойств является рассеяние света.

В зависимости от свойств частиц дисперсной фазы и их размеров свет, проходя через дисперсную систему, может поглощаться, отражаться или рассеиваться.

Дисперсные системы способны к рассеянию света. В результате рассеяния проходящий через коллоидный раствор луч света становится видимым (эффект Тиндаля — рис. 1.3.1.1.). Этот вид рассеяния называется опалесценцией (в молекулярных и ионных растворах этот эффект не наблюдается).

Способностью к светорассеянию обладают не только частицы, но и ассоциаты молекул, макромолекулы, включения, нарушающие однородность среды. Рассеяние заключается в преобразовании веществом света, которое сопровождается изменением направления света. Схематически процесс рассеяния света выглядит так:

Р и с. 1.3.1.1. Иллюстрация эффекта Тиндаля

Световая волна вызывает поляризацию молекул, не проводящих и не поглощающих свет частиц, возникающий при этом дипольный момент определяется по уравнению: = Е, где — поляризуемость; Е — напряженность возбужденного электрического поля, образованного падающим светом.

Возникающие диполи колеблются с частотой падающего света и создают вторичное излучение во всех направлениях. В однородной среде свет, излучаемый всеми диполями вследствие интерференции, распространяется прямолинейно. В неоднородной среде, к которым относятся высокодисперсные системы с различным показателем преломления фазы и среды, интерференция отсутствует, и испускается некомпенсированное излучение в виде рассеянного света. Если энергия поглощенного кванта света (h) равна энергии испускаемого кванта (h1), то рассеяние будет рэлеевским (упругим). Оно реализуется, когда размеры частиц дисперсной фазы намного меньше длины волны света :

а >m/) инерцией частиц (m(dv/d) можно пренебречь. После интегрирования уравнения при условии, что среднее произведение импульсов случайной силы равно нулю, среднее значение флуктуации (средний сдвиг) равно: , где — время; r — радиус частиц дисперсной фазы; NA — число Авогадро частиц.

В этой формуле характеризует молекулярно-кинетические свойства дисперсионной среды, — ее вязкость, r — радиус частиц — параметр, относящийся к дисперсной фазе, а время определяет взаимодействие дисперсионной среды с дисперсной фазой.

Кроме поступательного, возможно вращательное броуновское движение для двухмерных частиц и частиц неправильной формы (нитей, волокон, хлопьев и т.д.).

Броуновское движение наиболее интенсивно проявляется в высокодисперсных системах (размеры частиц 10-9 10-7 м), несмотря на то, что молекулы дисперсионной среды действуют также и на частицы средне- и грубодисперсных систем. Но в связи со значительным размером частиц число ударов молекул резко увеличивается. По законам статистики, импульс действия сил со стороны молекул среды взаимно компенсируется, а значительная масса и инерция крупных частиц оставляет воздействие молекул без последствий.

Диффузией называют самопроизвольное распространение вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Различают следующие виды диффузии: молекулярную, ионную и коллоидных частиц.

Ионная диффузия связана с самопроизвольным перемещением ионов.

Диффузия высокодисперсных коллоидных частиц показана на рис. 1.1.2.1. В нижней части концентрация частиц больше, чем в верхней, т.е. v1>v2 (где , м3 — численная концентрация частиц, N — число частиц дисперсной фазы, Vд.с. — объем дисперсной системы). Диффузия направлена из области с большей концентрации в область с меньшей концентрацией, т.е. снизу вверх (на рис. показано стрелкой). Диффузия характеризуется определенной скоростью перемещения вещества через поперечное сечение В, которая равна .

На расстоянии х разность концентраций составит v2 — v1, т к. v1>v2, эта величина отрицательна. Изменение концентрации, отнесенное к единице расстояния, называют градиентом концентрации или (в дифф. форме) .

Скорость перемещения вещества пропорциональна градиенту концентрации и площади В, через которую происходит движение диффузионного потока, т.е.

— основное уравнение диффузии в дифференциальной форме.

Скорость диффузии () величина положительная, а градиент концентрации — отрицателен.; поэтому перед правой частью уравнения — знак «минус». Коэффициент пропорциональности D — это коэффициент диффузии. Основное уравнение справедливо для всех видов диффузии , в т.ч. и для коллоидных частиц. В интегральной форме оно применимо для двух процессов — стационарного и нестационарного:

для стационарного процесса: =const. Значительное число диффузионных процессов близко к стационарным. Интегрируя , получим:

— -й закон диффузии Фика.

Физический смысл коэффициента диффузии D: если -=1, В = 1 и = 1, то m = D, т.е. коэффициент диффузии численно равен массе диффундирующего вещества, когда градиент концентрации, площадь сечения диффузионного потока и время равны единице. Равенство только численное, т.к. размерность коэффициента диффузии [м2/с] не соответствует размерности массы.

для нестационарного процесса: const. Тогда интегрирование основного уравнения с учетом изменения градиента концентрации усложняется. При отсутствии в среде градиентов температуры, давления, электрического потенциала из уравнения определим массу вещества m1, переносимого в результате диффузии в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению переноса (В = 1 и = 1): , с учетом которого можно определить пространственно-временное распределение концентрации:

— второй закон Фика.

На рис. представлена одномерная диффузия, определяющая движение вещества в одном направлении. Возможна также двух- и трехмерная диффузия вещества (диффузия вещества в двух и трех направлениях), описываемая уравнением: , где I — вектор плотности диффузионного потока; grad v — градиент поля концентрации.

Для трехмерной диффузии, по второму закону Фика, запишем: .

Для двумерной диффузии в правой части уравнения ограничиваемся выражениями для х и y.

Значения коэффициента диффузии для видов её распределяются так: ионная — D = 10-8 м2/с; молекулярная — D = 10-9; коллоидных частиц — D = 10-10. Отсюда видно, что диффузия коллоидных частиц затруднена по сравнению с двумя другими видами. Так, скорость диффузии частиц карамели (дисперсная фаза — коллоидный раствор) в 100 — 1000 раз меньше скорости диффузии молекул сахара (молекулярный раствор). Соответственно в газах D увеличивается до 10-4, в твердых телах снижается до 10-12 м2/с.

Количественно диффузия определяется коэффициентом диффузии, связанным со средним сдвигом соотношением: ; — продолжительность диффузии.

Диффузия высокодисперсных частиц совершается беспорядочно с большей вероятностью в сторону меньшей концентрации. При выводе соотношения приняты следующие допущения: частицы дисперсной фазы движутся независимо друг от друга, между ними отсутствует взаимодействие; средняя энергия поступательных движений частиц равна 0,5 kT.

Используя формулу определения среднего сдвига, коэффициент диффузии можно представить в виде: (k — константа Больцмана, равная ). Если D известен, найдем размер частиц:

; чем больше размер частиц, тем меньше коэффициент диффузии, менее интенсивна сама диффузия.

Диффузия в полной мере проявляется у высокодисперсных систем (10-9 — 10-7 м), ослаблена у среднедисперсных (10-7 — 10-5 м) и практически отсутствует у грубодисперсных систем (>10-5 м). Коэффициент диффузии зависит и от формы частиц, что не учтено в уравнении . Поэтому формула определяет размер только коллоидных шарообразных частиц (или приведенный к шарообразному размер частиц неправильной формы).

Тема 1.2.3. Осмотическое давление

При разделении двух растворов различной концентрации или раствора и чистого растворителя полупроницаемой перегородкой (мембраной) возникает поток растворителя от меньшей концентрации к большей, выравнивающей концентрацию. Этот процесс называется осмосом.

На схеме (рис. 1.2.3.1) в сосуд с полупроницаемой перегородкой 3, помещен раствор 1. Перегородка пропускает дисперсионную среду (растворитель), но является препятствием для коллоидных частиц (растворенных веществ). Снаружи перегородки — чистый растворитель 2. Концентрация раствора по обе стороны перегородки различна. Внутри сосуда 1 часть раствора занимают молекулы растворенного вещества (частицы дисперсной фазы) концентрация растворителя там меньше, чем в емкости 2 с чистым растворителем.

За счет диффузии жидкость из области более высокой концентрации перемещается в область меньшей концентрации (из емкости 2 в сосуд 1). С кинетической точки зрения это обусловлено тем, что число ударов молекул о мембрану растворителя со стороны чистого или более разбавленного раствора больше, чем со стороны раствора, что и заставляет перемещаться растворитель через поры мембраны туда, где его меньше (т.е. в область раствора).

С термодинамической точки зрения, химический потенциал 2 чистой жидкости больше 1 растворителя в растворе, процесс самопроизвольно идет в сторону меньшего химического потенциала до их выравнивания: 2 = 1.

В результате перемещения жидкости в емкости 1 создается избыточное давление , называемое осмотическим. Растворитель, проникающий в область раствора 1, поднимает уровень жидкости на высоту Н, что компенсирует давление чистого растворителя в сторону раствора. Наступает момент, когда вес столба жидкости в области раствора уравнивается давлением растворителя.

Осмотическое давление — такое избыточное давление над раствором, которое необходимо для исключения переноса растворителя через мембрану. Осмотическое давление равно тому давлению, которое производила бы дисперсная фаза (растворенное вещество), если бы она в виде газа при той же температуре занимала тот же объем, что и коллоидная система (раствор)

Осмотическое давление достаточно разбавленных коллоидных растворов может быть найдено по уравнению:

или — уравнение Вант-Гоффа

где mобщ/m — масса растворенного вещества; m — масса одной частицы; V — объем частицы; NA — число Авогадро; Т — абсолютная температура; — частичная концентрация; k — постоянная Больцмана; М — масса одного моля растворенного вещества; с — массовая концентрация.