Лекции по физико-химическим методам анализа. Лекции по физикохимическим методам анализа. Лекции по физикохимическим методам анализа

• Название: Лекции по физикохимическим методам анализа. Лекции по физикохимическим методам анализа
• Дата: 28.01.2020
• Размер: 281.5 Kb.
• Имя файла: Лекции по физико-химическим методам анализа.doc
• Тип: Лекции; #106261
• страница: 10 из 11

7.4. Свойства коллоидных растворов

8.4.1. Оптические свойства

Коллоидные растворы (золи) прозрачны в проходящем свете, но при их боковом освещении на темном фоне заметна опалесценция, то-есть матовое свечение. Если на пути источника света к раствору поставить линзу, то при наблюдении золя в поперечном направлении на темном фоне виден яркий световой конус (эффект Фарадея-Тиндаля). Причиной опалесценции является рэлеевское рассеяние световых лучей в микронеоднородной среде коллоидного раствора с размерами частиц, на порядок меньшими длины волны. Интенсивность рассеянного света пропорциональна объёму частиц дисперсной фазы и обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны. Этим объясняется голубой цвет неба: синяя часть солнечного спектра рассеивается сильнее, чем красная. Эффект Фарадея-Тиндаля используется для обнаружения коллоидных растворов.

Для золей характерно также явление оптической анизотропии - различия оптических свойств по разным направлениям. При отражении от коллоидных частиц рассеянный свет поляризуется, что обнаруживается при наблюдении через поляризационный светофильтр. Это явление зависит от внутреннего строения частиц, их формы или ориентации в растворе.

8.4.2. Электрические свойства

Электрические свойства доказывают, что коллоидные частицы заряжены. При реакции:

AgNO₃+KI=AgI+KNO₃

при избытке KI образуется частица

{[AgI]_mnI^-(n-x)K⁺}^-xK⁺ . ___ядро____ адс. слой диф.слой

______гранула_______

_______ мицелла______________

Несколько молекул объединяются в агрегат [AgI]_m. На поверхности агрегата адсорбируются n ионов иода, сообщающих заряд, вместе образуют заряженное ядро. Часть ионов К⁺ адсорбируется на поверхности ядра, образуя прочный адсорбционный слой, ядро с этим слоем образует гранулу. Остальные противоионы К⁺ образуют размытый диффузный слой, вместе образуется электронейтральная мицелла. Кинетической единицей является гранула. При наложении электрического поля гранулы движутся к одному электроду, противоионы диффузного слоя к другому.

На рисунке 4.2 показана зависимость потенциала частицы относительно раствора как функция расстояния. Разность потенциалов между границей раздела адсорбционного и диффузного слоёв и остальным раствором называется дзета(-потенциалом; его величина зависит от толщины диффузного слоя. На величину потенциала влияют природа и концентрация ионов в растворе и природа дисперсной фазы. Обычно увеличение концентрации ионов приводит к сжатию диффузионного слоя, за счет того, что часть противоионов из диффузного слоя переходит в адсорбционный; в этом случае потенциал уменьшается.

Структура мицеллы зависит от условий получения. Например, если реакцию проводить при избытке AgNO₃, то мицелла имеет строение:
{[AgI]_mnAg+(n-x)NO₃-}+xNO₃-.
Таким образом, заряд гранулы определяется тем ионом ядра, который был в избытке в начале реакции.

В электрическом поле происходит направленное движение гранул к одному электроду и противоионов к другому. Это называется электрофорез. Он используется для очистки золей.

Другое явление - перемещение дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы называется электроосмос. Он используется для обезвоживания и сушки пористых материалов.

8.4.4. Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов

Тепловое движение частиц проявляется в таких явлениях, как броуновское движение, диффузия, осмотическое давление. Броуновским движением называют видимое в микроскоп беспорядочное перемещение частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде. Оно не затухает, так как вызвано тепловым движением молекул дисперсионной среды и отсутствием полной компенсации ударов, испытываемых частицей. Мерой перемещения частицы является величина ее среднего смещения r за промежуток времени . Среднеквадратичное смещение r^ связано с радиусом r частицы уравнением Эйнштейна-Смолуховского:

r^RTrN ,

где R - универсальная газовая постоянная,  - вязкость среды, T - абсолютная температура, N - число Авогадро. Чем крупнее частица, тем меньше величина ее смещения. Броуновское движение может быть направленным, если в системе есть участки с различной концентрацией. Направленное броуновское движение, приводящее к выравниванию концентраций частиц в растворе, называется диффузией. Диффузия протекает самопроизвольно и описывается законом Фика:

dm/dt=DS(-dC/dx) ,

где dm/dt - скорость перехода массы вещества через поперечное сечение площадью S, dC/dx - градиент концентрации вещества в направлении оси x, D - коэффициент диффузии. Если частицы рассматривать как жесткие сферы, коэффициент диффузии можно рассчитать по формуле:

D=RT/(6rN)

Осмосом называется процесс односторонней диффузии растворителя через полупроницаемую мембрану от раствора с меньшей концентрацией к раствору с большей концентрацией. Это явление объясняет вертикальное положение стебельков растений. Величина осмотического давления П , измеряемого внешним давлением, которое необходимо приложить, чтобы противодействовать осмосу, зависит только от молярной концентрации раствора:

П=СRT

В коллоидных растворах концентрация частиц много меньше, чем в истинных, поэтому в них осмотическое давление сравнительно мало.