Молекулно-кинетични свойства на дисперсни системи, Брауново движение - Дисперсни системи
В тази формула се характеризират молекулярно-кинетичните свойства на дисперсионната среда, - нейният вискозитет,r- радиусът на частиците - параметър, свързан с дисперсната фаза, а времето определя взаимодействието на дисперсионната среда с дисперсната фаза.
В допълнение към постъпателното, въртеливо брауново движение е възможно за двумерни частици и частици с неправилна форма (нишки, влакна, люспи и др.).
Брауновото движение е най-интензивно при силно диспергирани системи (размер на частиците 10 -9 10 -7 m), въпреки факта, че молекулите на дисперсионната среда също действат върху частиците на средните и грубите системи. Но поради значителния размер на частиците, броят на молекулярните удари се увеличава драстично. Според законите на статистиката импулсът на действие на силите от молекулите на средата се компенсира взаимно, а значителната маса и инерция на големите частици оставя удара на молекулите без последствия.
Тема 1.1.2. Дифузия
Дифузиясе отнася до спонтанното разпространение на вещество от зона с по-висока концентрация към област с по-ниска концентрация. Различават се следните видове дифузия: молекулярна, йонна и колоидна на частици.
Йонната дифузия е свързана със спонтанното движение на йони.
Дифузията на високо диспергирани колоидни частици е показана на фиг. 1.1.2.1. В долната част концентрацията на частици е по-висока, отколкото в горната част; v1>v2 (където, m3 е числената концентрация на частици,Nе броят на частиците на дисперсната фаза,Vd.s. е обемът на дисперсната система). Дифузията е насочена от област с по-висока концентрация към област с по-ниска концентрация, т.е. отдолу нагоре (показано със стрелка на фигурата). Дифузията се характеризира с определена скорост на движение на веществото през напречното сечениеB, която е равна на .
Разстояниеxразликата в концентрацията ще бъдеv2 -v1, тъй катоv1>v2, тази стойност е отрицателна. Промяната в концентрацията на единица разстояние се нарича концентрационен градиент или (в диференциална форма).
Скоростта на движение на веществото е пропорционална на концентрационния градиент и площтаB, през която се движи дифузионният поток, т.е.
-основно уравнение на дифузияв диференциална форма.
Скоростта на дифузия () е положителна, а градиентът на концентрация е отрицателен.; следователно има знак минус пред дясната страна на уравнението. Коефициентът на пропорционалност D екоефициент на дифузия. Основното уравнение е валидно за всички видове дифузия, вкл. и за колоидни частици. В интегрален вид е приложим за два процеса - стационарен и нестационарен:
за стационарен процес: =конст. Значителен брой дифузионни процеси са близки до стационарните. Интегрирайки, получаваме:
-ти закон на Фик за дифузия.
Физическото значение на коефициента на дифузия D: ако -=1, B = 1 и = 1, тогаваm = D, т.е. коефициентът на дифузия е числено равен на масата на дифузиращото вещество, когато градиентът на концентрацията, площта на напречното сечение на дифузионния поток и времето са равни на единица. Равенството е само числено, т.к размерът на коефициента на дифузия [m 2 /s] не съответства на размерите на масата.
за нестационарен процес: const. Тогава интегрирането на основното уравнение, като се вземе предвид промяната в концентрационния градиент, става по-сложно. При липса на градиенти на температура, налягане и електрически потенциал в средата, ние определяме от уравнението масата на веществото m1, пренесено в резултат на дифузия за единица време през единицата площ на повърхността, перпендикулярна на посоката на пренасяне (B = 1 и = 1): , като се има предвид, че можем даопределяне на пространствено-времевото разпределение на концентрацията:
Вторият закон на Фик.
На фиг. е представена едномерна дифузия, която определя движението на материята в една посока. Възможна е също дву- и тримерна дифузия на вещество (дифузия на вещество в две и три посоки), описана с уравнението: , където I е векторът на плътността на дифузионния поток; grad v - градиент на концентрационното поле.
За триизмерна дифузия, съгласно втория закон на Фик, пишем: .
За двумерна дифузия, от дясната страна на уравнението, се ограничаваме до изрази захиy.
Стойностите на коефициента на дифузия за неговия вид са разпределени, както следва: йонен - D= 10 -8 m 2 /s; молекулярно -D= 10 -9; колоидни частици - D = 10 -10. Това показва, че дифузията на колоидните частици е трудна в сравнение с другите два вида. По този начин скоростта на дифузия на частиците карамел (дисперсна фаза - колоиден разтвор) е 100 - 1000 пъти по-малка от скоростта на дифузия на захарните молекули (молекулен разтвор). Съответно, в газовеDсе увеличава до 10 -4, в твърди вещества намалява до 10 -12 m 2 /s.
Количествено, дифузията се определя от коефициента на дифузия, свързан със средното изместване чрез отношението: ; - продължителност на дифузията.
Дифузията на силно диспергирани частици се случва произволно с по-голяма вероятност към по-ниска концентрация. При извеждане на връзката са направени следните допускания: частиците на дисперсната фаза се движат независимо една от друга, между тях няма взаимодействие; средната енергия на транслационните движения на частиците е 0,5kT.
Използвайки формулата за определяне на средното изместване, коефициентът на дифузия може да бъде представен като: (k е константата на Болцман, равна на ). АкоDе известен, намерете размера на частиците:
; колкото по-голям е размерътчастици, колкото по-малък е коефициентът на дифузия, толкова по-малко интензивна е самата дифузия.
Дифузията се проявява напълно в силно диспергирани системи (10 -9 - 10 -7 m), отслабена в средно диспергирани (10 -7 - 10 -5 m) и практически липсва в груби системи (> 10 -5 m). Коефициентът на дифузия зависи и от формата на частиците, която не се взема предвид в уравнението. Следователно формулата определя само размера на колоиднитесферични частици (или намален до сферичен размер на частици с неправилна форма).
Тема 1.2.3. Осмотично налягане
Когато два разтвора с различни концентрации или разтвор и чист разтворител са разделени от полупропусклива преграда (мембрана), възниква поток от разтворител от по-ниска концентрация към по-висока, изравнявайки концентрацията. Този процес се наричаосмоза.
На диаграмата (фиг. 1.2.3.1) разтвор 1 е поставен в съд с полупропусклива преграда 3. Преградата преминава през дисперсионната среда (разтворител), но е пречка за колоидните частици (разтворени вещества). Извън преградата - чист разтворител 2. Концентрацията на разтвора от двете страни на преградата е различна. Вътре в съда 1 част от разтвора е заета от молекули на разтвореното вещество (частици от дисперсната фаза), концентрацията на разтворителя там е по-малка, отколкото в съд 2 с чист разтворител.
Поради дифузия течността се движи от зоната с по-висока концентрация към зоната с по-ниска концентрация (от контейнер 2 към съд 1).От кинетична гледна точкатова се дължи на факта, че броят на ударите на молекулите върху мембраната на разтворителя от страната на чист или по-разреден разтвор е по-голям, отколкото от страната на разтвора, което кара разтворителя да се движи през порите на мембраната до мястото, където е по-малко (т.е. към областта на разтвора).
От термодинамична гледна точкаот гледна точка, химическият потенциал на 2 чиста течност е по-голям от 1 разтворител в разтвор, процесът спонтанно върви към по-нисък химичен потенциал, докато те се изравнят: 2 = 1.
В резултат на движението на течността в резервоара 1 се създава свръхналягане, наречено осмотично налягане. Разтворителят, проникващ в областта на разтвора 1, повишава нивото на течността до височинаH, което компенсира налягането на чистия разтворител към разтвора. Настъпва момент, когато теглото на течния стълб в областта на разтвора се изравнява от налягането на разтворителя.
Осмотичното налягане е излишното налягане над разтвора, което е необходимо, за да се предотврати преминаването на разтворителя през мембраната. Осмотичното налягане е равно на налягането, което дисперсната фаза (разтвореното вещество) би произвела, ако тя, под формата на газ при същата температура, заемаше същия обем като колоидната система (разтвор)
Осмотичното налягане на достатъчно разредени колоидни разтвори може да се намери от уравнението:
или - уравнение на ван'т Хоф
къдетоmtot/m-е масата на разтвореното вещество;m- маса на една частица;V- обем на частиците;NA- Числото на Авогадро;Т- абсолютна температура; - частична концентрация;k- константа на Болцман;M- масата на един мол от разтвореното вещество;с- масова концентрация.