Свойства коллоидных систем

Литература

Контрольные вопросы

1. В чем сущность приватизации? Почему темпы проведения при-
ватизации были беспрецедентными?

2. Охарактеризуйте основные последствия социально-
экономических реформ 1991-1993 гг.

3. Почему на рубеже 1992-1993 гг. произошел кризис власти? Ка­ковы его последствия?

4. Чем было вызвано вооруженное противостояние в Чеченской республике в 1990-х гг.?

5. Почему в годы правления В. В. Путина усилилась стабилизация российского общества?

6. В чем преемственность и особенности внешней политики Рос­сии начала XXI в.?

1. Беляева Л. А. Социальная модернизация в России в конце XX века. - М., 1997.

2. Новейшая история России. 1914-2002: Учеб. пособие / Под ред. М. В. Ходякова. - М., 2004.

3. Селезнев Г. К. Политическая история современной России:
1991-2001. - М., 2001.

4. Согрин В. В. Политическая история современной России. 1985 -2001: от Горбачева до Путина. - М., 2001.

5. Якушев А. В. История России (конспект лекций). - М., 2005.

Молекулярно-кинетические явления в коллоидных растворах

Одним из характерных свойств коллоидных растворов является наличие в них броуновского движения. Броуновское движение – это хаотичное перемещение частиц дисперсной фазы, возникающее в результате не скомпенсированного воздействия молекул дисперсионной среды. Молекулы среды находятся в непрерывном тепловом движении и при своем перемещении они ударяются о коллоидные частицы. Количество ударов с разных сторон неодинаково и поэтому возникает импульс силы, заставляющий частиц перемещаться. Интенсивность броуновского движения обратно пропорциональна размеру частиц и как только размер частиц приближается к 10^-5 м, броуновское движение прекращается. Это происходит, потому что с увеличением площади поверхности частиц возрастает вероятность скомпенсированности ударов со стороны молекул окружающей среды. Интенсивность движения связана с размером частиц через коэффициент диффузии и выражается уравнением Эйнштейна:

D = Ö2Дt

Здесь D - среднее смещение одной частицы от исходного положения за время наблюдения t (тау), Д – коэффициент диффузии.

Следовательно, броуновское движение в коллоидных растворах прямо пропорционально диффузии. Диффузия – это самопроизвольное выравнивание концентрации растворенных веществ в результате теплового движения молекул. Как и в истинных растворах, диффузия в коллоидных растворах подчиняется закону Фика, а коэффициент диффузии выражается уравнением Эйнштейна-Смолуховского:

Д = RT / N 3Пrh

Здесь R – газовая постоянная, Т – абсолютная температура, N – число Авогадро, 3П – коэффициент, характеризующий шарообразную форму частиц, r – радиус частиц и h (этта) - вязкость среды.

Из уравнения следует, что скорость диффузии тем меньше, чем больше размер частиц. В коллоидных растворах частицы несравнимо больше молекул или ионов растворенного вещества в обычных истинных растворах и поэтому скорость диффузии в их растворах будет небольшая.

В коллоидных растворах, как и в истинных, проявляется осмотическое давление. Осмотическое давление – это избыточное гидравлическое давление, оказываемое на полупроницаемую мембрану и возникающее в процессе осмоса. Осмосом называют одностороннее проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в сторону большей концентрации растворенного вещества. Этот процесс можно наблюдать в ходе простого опыта (объяснить на примере).

Величина осмотического давления выражается уравнением Вант-Гоффа:

Р = СRT;

где С – молярная концентрация растворенного вещества, R – универсальная газовая постоянная и Т – абсолютная температура.

В виду большого размера коллоидных частиц концентрация их растворов, как правило, невысокая и поэтому осмотическое давление будет значительно ниже, чем в истинных растворах. Кроме того, осмотическое давление в коллоидных системах постоянно меняется из-за изменения числа частиц в растворе, происходящим вследствие процесса коагуляции.

В противоположность осмотическому давлению вязкость коллоидных раствор значительно выше вязкости истинных растворов. Вязкость - это понятие, которое характеризует способность жидкости или газа к текучести. Эта способность определяется взаимодействием между молекулами или ионами растворенного вещества с молекулами растворителя. Чем более выражено это взаимодействие, тем выше вязкость раствора. Например, вода растекается, значительно быстрее, чем силикатный клей. Это означает, что вязкости воды значительно ниже вязкости клея. Повышенная вязкость коллоидных растворов обусловлена, способностью коллоидных частиц связывать значительно большего числа молекул растворителя благодаря своему размеру.

Эйнштейн установил, что вязкость коллоидных растворов, в которых частицы сферичны и не взаимодействуют друг с другом, прямо пропорциональна их объемной концентрации:

h = h₀ (1 + КС_v);

где h - вязкость коллоидного раствора, h₀ - вязкость растворителя, К – коэффициент, зависящий от формы частиц, С_v – объемная концентрация частиц в коллоидном растворе.

Чаще всего вязкость коллоидных растворов не подчиняется уравнению Эйнштейна, так как она еще зависит от способности частиц к сольватации.

В коллоидных растворах наблюдается седиментация. Седиментация – это процесс оседания коллоидных частиц под действием силы тяжести. Стокс установил, что скорость седиментации прямо пропорциональна размеру коллоидных частиц:

S = 2r² (d₁ – d₂) g

9h

где S – скорость седиментации, r – радиус частиц, d₁ и d₂ – плотность коллоидных частиц и растворителя, g – коэффициент свободного падения, h - вязкость растворителя.

Процессу седиментации коллоидных частиц противодействует процесс диффузии и, когда эти два процесса уравновешиваются, наступает седиментационное равновесие. Это приводит к распределению частиц по высоте раствора в соответствии с их размером. Крупные частицы концентрируются ближе ко дну сосуда, а мелкие распределяются по высоте более или менее равномерно.

Из уравнения Стокса следует, что скорость седиментации можно значительно ускорить за счет повышения коэффициента свободного падения. Этот коэффициент возрастает при помещении коллоидного раствора во вращающийся вокруг своей оси ротор. Вращательное движение приводит к увеличению центробежной силы, которая и вызывает повышение коэффициента свободного падения, а значит и скорости седиментации. Этот принцип и осуществлен в приборах названных центрифугами. Наиболее часто в медицинской практике центрифугирование используется с цель получения плазмы крови, для выделения клеточных органелл и клеток.

Определение скорости оседания положено в основу седиментационного анализа, с помощью которого определяют размер частиц и их фракционный состав, то есть число частиц разного размера. Седиментационный анализ широко используется и в практической медицине в виде определения скорости оседания эритроцитов (СОЭ). Скорость оседания эритроцитов изменяется при различных заболеваниях, так как она определяется функциональным состоянием кровеносной системы, которая весьма чувствительна к различным патологическим воздействиям.

Оптические свойства коллоидных систем

В коллоидных растворах, в отличие от обычных растворов, происходит частичное светорассеяние. Это явление было открыто Фарадеем и изучено Тиндалем. Его можно наблюдать в виде светящегося конуса, если смотреть сбоку на освещаемый раствор. Явление Фарадея-Тиндаля часто наблюдается в природе. Это видимые лучи прожектора, солнечные лучи в запыленной комнате. Появление светящего конуса в коллоидных растворах объясняется тем, что размер коллоидных частиц соизмерим с половиной длин волн видимого света и основывается на двух физических явлениях – рассеяние световых волн и их дифракции (огибание волной препятствия). Светорассеяние происходит, потому что коротковолновая часть спектра видимого света, попадая на частицы, отражаются от них и рассеиваются во все стороны, благодаря чему мы и наблюдаем это явление. Длинноволновая часть световых лучей способна огибать частицы, так как их размер больше чем размер коллоидных частиц и тем самым вызывает расширение светового потока по мере прохождения его через раствор. Следовательно, явление Фарадея - Тиндаля обусловлено дифракционным рассеянием световых волн на коллоидных частицах.

Интенсивность светорассеяния определяется законом Рэлея, который установил, что интенсивность светорассеяния прямо пропорционально числу частиц, их размеру и обратно пропорциональна четвертой степени длины волны падающего света:

I = I⁰ K N V

l⁴

где I – интенсивность светорассеяния, I⁰ - интенсивность фонового света, К – коэффициент, представляющий отношение показателей преломления вещества дисперсной фазы и дисперсионной среды, N – число частиц в 1 дм³, V – средний объем одной частицы, l - длина волны падающего света.

Как следует из закона Рэлея, наиболее интенсивно будут рассеиваться лучи с наименьшей длиной волны, то есть лучи голубой части спектра. Поэтому коллоидные растворы с бесцветными частицами имеют голубоватый оттенок. Это голубоватое как бы само свечение, заметное в условиях рассеянного освещения, называется опалесценцией. Опалесцирует сыворотка крови, раствор крахмала. Цвет неба также обусловлен рассеянием коротковолновой части спектра видимого света на различных взвешенных частицах атмосферы. Часто коллоидные частицы имеют собственную окраску. Тогда наслоение голубоватого оттенка на собственный цвет частиц вызывает явление дихроизма или двойного окрашивания. При наблюдении сбоку раствор имеет один оттенок, а при наблюдении прямо на просвет – другой.

Явление светорассеяния используется в работе ультрамикроскопа и нефелометра. Ультрамикроскоп представляет собой обычный оптический микроскоп, в котором специальной фокусирующей системой создается боковое освещение коллоидного раствора от электрической дуги. При этом коллоидные частицы выглядят как светящиеся точки на темном фоне. Ультрамикроскоп позволяет наблюдать броуновское движение частиц, определить их концентрацию, а иногда и форму.

Нефелометр – оптический прибор, в котором измеряется интенсивность светорассеяния. Измерение светорассеяние путем сравнения со стандартным раствором или путем расчета по уравнению Рэлея, позволяет определить размер коллоидных частиц и их концентрацию в растворе.

Строение коллоидных частиц

Строение собственно самих коллоидных частиц различно в зависимости от того являются ли они лиофильными или лиофобными.

Лиофильные коллоидные частицы обычно состоят из дифильных молекул поверхностно-активных веществ или высокомолекулярных соединений. В таких лиофильных частицах в водном растворе углеводородные группировки отдельных молекул обращены внутрь частицы, а гидрофильные полярные группировки обращены наружу, в сторону воды, так что вся частица имеет гидрофильную поверхность. Вокруг нее образуется большая многослойная сольватная оболочка из молекул растворителя, придающая высокую устойчивость в растворе всей лиофильной частице. Таким образом, по внутренней структуре лиофильные коллоидные частицы являются микро капельками.

Лиофобные частицы представляют агрегаты из молекул трудно растворимого вещества, имеющие кристаллическое строение. Сам кристаллический агрегат из отдельных молекул называется ядром частицы. На ядре происходит эквивалентная адсорбция ионов электролита, присутствующего в растворе. Такой электролит называется ионогенным или стабилизирующим. Адсорбция ионов происходит в соответствии с правилом Панета-Фаянса (в первую очередь адсорбируются те ионы, которые входят в состав адсорбента). Ионы, адсорбирующиеся непосредственно на поверхности ядра, называются потенциалопределяющими, потому что именно они определяют заряд частиц. Поверх потенциалопределяющих ионов адсорбируются ионы противоположного заряда, называемые противоионами. Часть противоионов связываются очень прочно и вместе с потенциалопредяющими ионами образуют на поверхности ядра адсорбционный слой. Адсорбционный слой прочно удерживается на ядре частицы так, что создается единое целое, называемое гранулой. Гранула свободно перемещается в растворе, она имеет заряд за счет избытка потенциалопределяющих ионов над противоионами в адсорбционном слое. Другая часть противоионов связывается не прочно. Они участвуют в тепловом движении, располагаются рыхло и в совокупности образуют поверх адсорбционного слоя диффузный слой. Гранула вместе с диффузным слоем представляет полную коллоидную частицу, называемую мицеллой. Мицелла электронейтральна. Однако, поскольку при движении частиц противоионы диффузного слоя могут отставать и отрываться, то в растворе коллоидные частицы проявляют заряд гранул.

Например.

AgNO₃ + KI = AgI + KNO₃,

в этом случае реакция заканчивается выпадением AgI в осадок. Поэтому для получения коллоидного раствора AgI необходимо взять одно из веществ в избытке. Если избыток КI

{[mAI],n I^-,(n-x)K⁺}^x- xK⁺

Дата добавления: 2013-12-12