Диффузия

Вследствие молекулярно-кинетического движения частицы испытывают случайные смещения, при которых перемещаются вверх или вниз.

Диффузия – самопроизвольно протекающий в системе процесс выравнивания концентраций молекул, ионов или коллоидных частиц под влиянием их хаотического теплового движения.

В термодинамическом отношении процесс диффузии идёт с увеличением энтропии и является самопроизвольным. Явление диффузии необратимо и протекает до полного выравнивания концентраций.

Скорость диффузии при постоянных температуре и вязкости среды (t=const и η=const) зависит только от величины и формы частиц.

Медленность диффузии является признаком, отличающим коллоидные системы от истинных растворов низкомолекулярных веществ.

Перенос массы в результате диффузии формально сходен с законом переноса тепла и электричества. Воспользовавшись этой аналогией, Фик сформулировал (1855г.) первый закон диффузии:

- I закон Фика - стационарная диффузия

где m - количество продиффундировавшего вещества (моль);

D – коэффициент диффузии, зависит от свойств диффундирующих частиц и среды (м²/с);

dc/dx - градиент концентрации (моль/л);

S – площадь, через которую идет диффузия;

τ – продолжительность диффузии;

«-» так как диффузионный поток проходит в направлении меньших концентраций.

- диффузионный поток

где i_д –диффузионный поток, характеризует количество вещества, переносимое в результате диффузии за единицу времени через сечение, равное единице площади.

Принимая dс/dx =1, и S =1, τ =1, тогда получим

D = -m,

т.е. коэффициент диффузии (D) численно равен количеству вещества продиффундировавшего через единицу площади за единицу времени, при градиенте концентрации равном единице.

А. Эйнштейн, изучая броуновское движение, установил связь коэффициента диффузии D со средним сдвигом :

= 2 Dt – закон Эйнштейна-Смолуховского

что дает возможность экспериментально установить коэффициент диффузии по методу сдвига.

Рассматривая силы трения, действующую со стороны растворителя на диффузию молекул растворенного вещества, Эйнштейн предложил:

,

где f – коэффициент трения для растворённых молекул (Нс/м); k – постоянная Больцмана.

С другой стороны, частица со стороны растворителя испытывает силу трения или сопротивление, равное

f= 6 πηr – закон Стокса,

где η – вязкость растворителя, r – радиус частицы.

Отсюда получим:

или – уравнение Эйнштейна-Стокса

для сферических частиц.

Это уравнение – одно из уравнений коллоидной химии, позволяет определить размер частиц:

,

отсюда молекулярный вес: , где γ- плотность дисперсной фазы, N – количество частиц.

Уравнение Эйнштейна-Стокса выражает физический смысл коэффициента диффузии. Величина kT – мера тепловой или кинетической энергии молекулы, η – мера вязкого сопротивления диффузии. Отношение kT и η определяет насколько легко частица диффундирует. Из уравнения Эйнштейна-Стокса следует, что D обратно пропорционально радиусу,

Осмотическое давление коллоидных систем

Рис. 26. Схема, поясняющая понятие осмотического давления.

Перегородка – непроницаемая мембрана для коллоидных частиц (рис. 26). Наличие мембраны ограничивает свободное движение коллоидных частиц в сторону чистой жидкости. Различие в концентрации раствора по обе стороны мембраны не может выровняться путём свободной диффузии. Растворитель переходит в раствор до тех пор, пока этот переход не компенсируется встречно направленным гидростатическим давлением со стороны раствора, это и есть осмотическое давление раствора π.

Осмотическое давление увеличивается из-за перехода части растворителя в сравнении с первоначальным.

Осмотическое давление для разбавленных коллоидных растворов находиться из уравнения:

,

где ω – количество растворенного вещества;

m – масса частицы;

N_A – число Авогадро;

V – объем системы;

Т – температура;

ν - частичная концентрация.

Это уравнение аналогично уравнению Вант-Гоффа для осмотического давления истинных растворов:

,

где М – молекулярный вес; с – весовая концентрация.

Осмотическое давление для лиозолей очень маленькая величина и непостоянная, т.к. большие количественные различия в значениях концентрации приводят к слабому проявлению осмоса.

Определим количественную зависимость осмотического давления π от числа частиц n среднего радиуса r и степенью дисперсности z в единице объёма: имеем две дисперсные системы с одинаковым растворителем, при одинаковой температуре масса диспергированного вещества в этих системах выражается:

=>

т.е. осмотическое давление обратно пропорционально кубу радиуса частиц и, следовательно, прямо пропорционально кубу степени дисперсности.

Значит небольшое изменение в размере частиц приведёт к значительному изменению осмотического давления.

Дата добавления: 2014-01-05