Файл: Захарченко В.Н. Коллоидная химия учебник.pdf

kT

( 11. 21)

8тп)Л3

В эти формулы входят те же величины, что и в формулу Эйнштейна для поступательного броуновского движения.

Формулу (II, 20) можно вывести, используя тот же прием, что и при выводе уравнения поступательного броуновского дви­ жения.

Момент вращения М частицы, находящейся в вязкой среде, определяется уравнением

угловое ускорение; Bf — коэффициент сопротивления среды враща­ тельному движению частицы.

Проведя преобразования получим

ЗУ

Коэффициент вязкого сопротивления среды при вращении сфе­ рических частиц, как показал Стокс, равен 8т)/-3. Следовательно,

Уравнение вращательного броуновского движения про­ верил Перрен на суспензиях мастики в растворе мочевины. Некоторые частицы суспензии, форма которых близка к сферической, имели дефекты, а к другим прилипли мельчай­ шие частички загрязнений. Перрен определял положение таких меток через равные промежутки времени. Вычислив средний квадрат угла поворота, он нашел: N = 6,5 • ІО23.

Идеи, использованные М. Смолуховским при создании теории броуновского движения, легли в основу разработан­ ной им общей теории флуктуаций. Эта теория оказалась применимой и для описания отклонений от среднего зна­ чения числа частиц в выбранной части объема. Если взять очень маленький объем и через равные промежутки времени считать в нем частицы, а затем найти среднее значение квад­ ратов разности двух соседних чисел частиц, то по этим дан­ ным можно определить число Авогадро.

А. Вестгрен, работая с золями золота, провел опреде­ ление 7500 квадратов разностей чисел частиц и вычислңл 50 значений числа Авогадро. Среднее из них 6,03-ІО23. Приведем в качестве примера, как изменялось через 1,15 сек число частиц в опытах Вестгрена.

... 54444234253346653466544322423243211121211111111 11111111111001011000111111212133112111121222111320 02343443243022343343341333322234221233111221223332

322222322222322232223122133433355...

Седиментация. Седиментационный анализ. В грубодис­ персных системах с частицами, плотность которых значи­ тельно больше плотности среды, частицы оседают под дей­ ствием силы тяжести намного быстрее, чем они смещаются в результате броуновского движения. Оседание частиц в по­ ле тяготения, называемое седиментацией, используется для определения их размеров, фракционирования систем и для других целей. К сферическим частицам, как уже ука­ зывалось, применима формула Стокса (II, 9):

f = бтітjrw.

Она связывает скорость равномерного движения час- - тицы радиуса г с силой вязкого сопротивления среды / (величина щ — вязкость среды). При оседании частиц под

40

действием силы тяжести

/ — /тяж / д •

Часто-пользуются такой формулой:

г- kw'/‘,

Эти формулы используются в седиментационном ана­ лизе. Седиментационный (или седиментометрический) ана­ лиз — метод, с помощью которого находят распределение частиц по размерам на основании измерений скорости их оседания.

Наиболее точный вариант седиментационного анализа — гравиметрический. Основной прибор, применяемый в этом

тщательно перемешивают. Через некоторые промежутки времени определяют вес осадка на чашке. Зависимость веса осадка Q на чашке от времени седиментации для суспензии, содержащей частицы только одного размера (такие системы называются монодисперсными), показана на рис. 15, а. В монодисперсной суспензии все частицы оседают с оди­ наковой скоростью, поэтому накопление осадка как функ­ ции времени оседания представляет собой прямую. Времени оседания последних частиц t0 отвечает на графике излом.

Седиментация суспензии, полученной из двух монодисперсных порошков, представлена на рис. 15, б. Частицы каждой фракции оседают независимо. Оседаниям отвечают ломаные: 1 — для крупных частиц, 2 — для мелких. 'Вес осадка, измеряемый весами (ломаная 3), проявляется как

41

Q

6

Рис. 15. Зависимость веса осадка от времени седиментации:

а — моноднсперсная суспензия; 6 — суспензия, полученная из двух моноднсперсных порошков; в — суспензия, получен­ ная из трех моноднсперсных порошков

результат сложения ломаных / и 2. С помощью несложных геометрических построений можно показать, что продол­ жение среднего отрезка суммарной ломаной 3 отсекает на оси ординат отрезок, равный весу фракции с более крупными частицами. Подобные же рассуждения применимы для случая оседания суспензии, состоящей из частиц трех раз­ меров. Продолжения отрезков суммарной ломаной отсекают

ординат отрезок, отвеча­

ющий весу фракций, полностью осевших за время t (это вре­ мя соответствует точке касания).

Пользуясь формулой (11, 27) и учитывая, что скорость оседания связана с временем t соотношением w = hit (где

Рис. 17. Интегральная кривая распределения частиц по размерам

43. -

h — высота столба жидкости над чашкой), можно рассчи­ тать, каков минимальный радиус частиц, полностью осевших за время t.

Полученные данные используют для построения инте­ гральной кривой распределения частиц по размерам (рис. 17). Для этого откладывают на оси ординат суммарное процентное содержание всех фракций — от самых крупных частиц до частиц данной фракции, а на оси абсцисс — ра­ диус, соответствующий данной фракции (кривая 1). Воз­

можен и другой спо­ соб построения ин­ тегральной кривой, отличающийся тем, что на оси ординат откладывают процен­ тное содержание всех фракций — от самых маленьких частиц до частиц данной фрак­ ции (кривая 2).

На основании ин­ тегральной кривой строят дифференци­ альную кривую рас­ пределения, харак­ теризующую плот­

ность распределения dOldr в зависимости от радиуса частиц. Дифференциальная кривая дает возможность установить относительное содержание частиц того или иного радиуса. Чаще всего дифференциальная кривая имеет максимум, который соответствует радиусу частиц, наиболее распрост­ раненных (по массе) в данной системе (рис. 18).

Обработка результатов седиментационных исследований довольно трудоемка. Поэтому в последнее время разрабаты­ ваются аналитические методы расчета с привлечением элек­ тронно-вычислительной техники.

Седиментация в центробежном поле. Скорость осажде­ ния частиц можно повысить, если заменить седимента­ цию в поле силы тяжести центрифугированием. Таким путем удается определить размеры коллоидных частиц и добиться оседания макромолекул. Если скорость движения частиц в радиальном направлении мала, что практически всегда достигается выбором угловой скорости центрифуги в зависимости от размеров частиц, то выполняется равенство

44

/ц .ж — центробежная сила, действующая на объем жидкости, вытесняемой частицей.

Сила /ц.ж при центрифугировании играет ту же роль, что и архимедова сила при седиментации. Направление ее противоположно направлению центробежной силы, дей­ ствующей на частицу. Для частиц сферической формы все указанные силы находят по формулам

/ц. ч = 4/3W 3d4“ 2*; /ц . ж = i law 3 dx u>iX\

dx

/сопр = 6тст]Л >

где d4 — плотность частицы; dA(— плотность жидкости, в которой проводится центрифугирование; со — угловая ско­ рость ротора центрифуги; х — расстояние частицы от оси вращения; ■/] — вязкость среды.

Силу Д.опр определяют по формуле Стокса (стр. 32), в которой dx/dt означает скорость линейного перемещения частицы в радиальном направлении.

Из трех приведенных формул следует

После преобразования получим

выведенной для случая применимости формулы Стокса. Если формула Стокса по каким-либо причинам не приме-

45

нима (частицы слишком малы или имеют несферическую форму), то зависимость силы сопротивления среды от ско­ рости движения частицы dx/dt выражают в общем виде

dx fсопр —^ dt

Остальные силы определяют следующим образом:

fц, , = тч^х-, !ц. Ж

где тч— масса частицы; d4— ее плотность; d1K— плот­ ность среды.

Уравнение движения частицы принимает вид

Сведберг показал, что уравнение (II, 34) может быть использовано для определения молекулярных весов высоко­ молекулярных соединений. Для этого необходимо привлечь дополнительные соотношения. Введем новую величину — коэффициент седиментации s, представляющий собой отно­ шение скорости линейного перемещения частицы в радиаль­ ном направлении к центробежному ускорению

С учетом (II, 35) уравнение (II, 34) перепишем следующим образом:

Коэффициент сопротивления среды найдем из формулы Эйнштейна (стр. 32); получим

где D — коэффициент диффузии; k — константа Больцма­ на, Т — температура.

В уравнении (II, 37), если оно применяется для высоко­ молекулярных соединений, т ч — абсолютная масса одной макромолекулы. Так как масса одной молекулы пгч равна MIN (где N — число Авогадро, М — молекулярный вес), то

46

кулярных весов. Коэффициент седиментации белков обыч­

жают специальным холодильным устройством. Помимо ана­ литических целей (определение молекулярных весов), ультрацентрифуги применяют в препаративной работе для фракционирования веществ с различным молекулярным весом.

Седиментационное равновесие. Выше рассмотрены два крайних случая поведения частиц дисперсной фазы в вяз­

47