Властивостіколоїдних систем
Тут -середнє зміщення однієї частки від вихідного положення за час спостереження(тау), Д – коефіцієнт дифузії.
Отже, броунівський рух у колоїдних розчинах прямо пропорційний дифузії. Дифузія - це мимовільне вирівнювання концентрації розчинених речовин внаслідок теплового руху молекул. Як і в дійсних розчинах, дифузія в колоїдних розчинах підпорядковується закону Фіка, а коефіцієнт дифузії виражається рівнянням Ейнштейна-Смолуховського:
Тут R - газова постійна, Т - абсолютна температура, N - число Авогадро, 3П - коефіцієнт, що характеризує кулясту форму частинок, r - радіус частинок і (етта) - в'язкість середовища.
З рівняння випливає, що швидкість дифузії тим менша, чим більший розмір частинок. У колоїдних розчинах частинки незрівнянно більше молекул або іонів розчиненої речовини у звичайних істинних розчинах і тому швидкість дифузії в їх розчинах буде невеликою.
У колоїдних розчинах, як і істинних, проявляється осмотичний тиск. Осмотичний тиск - це надлишковий гідравлічний тиск, що чиниться на напівпроникну мембрану і виникає в процесі осмосу. Осмосом називають одностороннє проникнення молекул розчинника через напівпроникну мембрану у бік більшої концентрації розчиненої речовини. Цей процес можна спостерігати під час простого досвіду (пояснити з прикладу).
Розмір осмотичного тиску виражається рівнянням Вант-Гоффа:
де С – молярна концентрація розчиненої речовини, R – універсальна газова стала та Т – абсолютна температура.
З огляду на великий розмір колоїдних частинок концентрація їх розчинів, як правило, невисока і тому осмотичний тиск буде значно нижчим, ніж у істинних розчинах. Крім того,осмотичний тиск у колоїдних системах постійно змінюється через зміну числа частинок у розчині, що відбувається внаслідок процесу коагуляції.
На противагу осмотичному тиску в'язкість колоїдних розчинів значно вище в'язкості істинних розчинів. В'язкість - це поняття, яке характеризує здатність рідини чи газу до плинності. Ця здатність визначається взаємодією між молекулами чи іонами розчиненої речовини з молекулами розчинника. Чим більш виражена ця взаємодія, тим вище в'язкість розчину. Наприклад, вода розтікається значно швидше, ніж силікатний клей. Це означає, що в'язкість води значно нижче в'язкості клею. Підвищена в'язкість колоїдних розчинів обумовлена здатністю колоїдних частинок пов'язувати значно більшу кількість молекул розчинника завдяки своєму розміру.
Ейнштейн встановив, що в'язкість колоїдних розчинів, в яких частинки сферичні і не взаємодіють один з одним, прямо пропорційна їх об'ємній концентрації:
де - в'язкість колоїдного розчину, 0- в'язкість розчинника, К – коефіцієнт, що залежить від форми частинок, Сv– об'ємна концентрація частинок у колоїдному розчині.
Найчастіше в'язкість колоїдних розчинів не підпорядковується рівнянню Ейнштейна, оскільки вона залежить від здатності частинок до сольватації.
У колоїдних розчинах спостерігається седиментація. Седиментація – це процес осідання колоїдних частинок під впливом сили тяжкості. Стокс встановив, що швидкість седиментації прямо пропорційна розміру колоїдних частинок:
де S - швидкість седиментації, r - радіус частинок, d1 і d2 - щільність колоїдних частинок і розчинника, g - коефіцієнт вільного падіння, в'язкість розчинника.
Процесу седиментації колоїдних частинокпротидіє процес дифузії і, коли ці два процеси врівноважуються, настає седиментаційна рівновага. Це призводить до розподілу частинок за висотою розчину відповідно до їх розміру. Великі частинки концентруються ближче до дна судини, а дрібні розподіляються за висотою більш менш рівномірно.
З рівняння Стокс випливає, що швидкість седиментації можна значно прискорити за рахунок підвищення коефіцієнта вільного падіння. Цей коефіцієнт зростає при приміщенні колоїдного розчину в ротор, що обертається навколо своєї осі. Обертальний рух призводить до збільшення відцентрової сили, що і викликає підвищення коефіцієнта вільного падіння, а значить і швидкості седиментації. Цей принцип і здійснено у приладах, названих центрифугами. Найчастіше в медичній практиці центрифугування використовується з метою отримання плазми крові, для виділення клітинних органел і клітин.
Визначення швидкості осідання покладено основою седиментаційного аналізу, з допомогою якого визначають розмір частинок та його фракційний склад, тобто кількість частинок різного розміру. Седиментаційний аналіз широко використовується і в практичній медицині як визначення швидкості осідання еритроцитів (ШОЕ). Швидкість осідання еритроцитів змінюється при різних захворюваннях, оскільки визначається функціональним станом кровоносної системи, яка дуже чутлива до різних патологічних впливів.
Оптичні властивості колоїдних систем
У колоїдних розчинах, на відміну від звичайних розчинів, відбувається часткове світлорозсіювання. Це було відкрито Фарадеєм і вивчено Тиндалем. Його можна спостерігати у вигляді конуса, що світиться, якщо дивитися збоку на освітлюваний розчин. Явище Фарадея-Тиндаля часто спостерігається у природі. Цепромені прожектора, сонячні промені в запиленій кімнаті. Поява конуса, що світить, в колоїдних розчинах пояснюється тим, що розмір колоїдних частинок співмірний з половиною довжин хвиль видимого світла і ґрунтується на двох фізичних явищах – розсіювання світлових хвиль та їх дифракції (огинання хвилею перешкоди). Світлорозсіювання відбувається, тому що короткохвильова частина спектра видимого світла, потрапляючи на частинки, відбиваються від них і розсіюються на всі боки, завдяки чому ми і спостерігаємо це явище. Довгохвильова частина світлових променів здатна огинати частинки, тому що їх розмір більший за розмір колоїдних частинок і тим самим викликає розширення світлового потоку в міру проходження його через розчин. Отже, явище Фарадея – Тіндаля обумовлено дифракційним розсіюванням світлових хвиль на колоїдних частках.
Інтенсивність світлорозсіювання визначається законом Релея, який встановив, що інтенсивність світлорозсіювання прямо пропорційна числу частинок, їх розміру і обернено пропорційна четвертому ступеню довжини хвилі падаючого світла:
де I– інтенсивність світлорозсіювання, I 0 – інтенсивність фонового світла, К – коефіцієнт, що представляє відношення показників заломлення речовини дисперсної фази та дисперсійного середовища, N– число частинок в 1 дм 3 ,V– середній обсяг однієї частинки,- довжина хвилі падаючого світла .
Як випливає із закону Релея, найбільш інтенсивно розсіюватимуться промені з найменшою довжиною хвилі, тобто промені блакитної частини спектру. Тому колоїдні розчини з безбарвними частинками мають блакитний відтінок. Це блакитне як би свічення, помітне в умовах розсіяного освітлення, називається опалесценцією. Обпалює сироватка крові, розчин крохмалю. Колір неба також обумовлений розсіюванням короткохвильової частини спектрувидимого світла різних зважених частках атмосфери. Часто колоїдні частинки мають власне забарвлення. Тоді нашарування блакитного відтінку на власний колір частинок викликає явище дихроїзму або подвійного фарбування. При спостереженні збоку розчин має один відтінок, а при спостереженні прямо на просвіт – інший.
Явище світлорозсіювання використовується у роботі ультрамікроскопа та нефелометра. Ультрамікроскоп є звичайним оптичним мікроскопом, в якому спеціальною фокусуючою системою створюється бічне освітлення колоїдного розчину від електричної дуги. При цьому колоїдні частинки виглядають як крапки, що світяться на темному тлі. Ультрамікроскоп дозволяє спостерігати броунівський рух частинок, визначити їхню концентрацію, а іноді і форму.
Нефелометр – оптичний прилад, у якому вимірюється інтенсивність світлорозсіювання. Вимірювання світлорозсіювання шляхом порівняння зі стандартним розчином або шляхом розрахунку за рівнянням Релея дозволяє визначити розмір колоїдних частинок та їх концентрацію в розчині.
Будова колоїдних частинок
Будова власне самих колоїдних частинок по-різному в залежності від того, чи є вони ліофільними або ліофобними.
Ліофільні колоїдні частинки зазвичай складаються з дифільних молекул поверхнево-активних речовин або високомолекулярних сполук. У таких ліофільних частинках у водному розчині вуглеводневі угруповання окремих молекул звернені всередину частинки, а гідрофільні полярні угруповання звернені назовні, у бік води, так що вся частка має гідрофільну поверхню. Навколо неї утворюється велика багатошарова сольватна оболонка з молекул розчинника, що надає високу стійкість у розчині всієї ліофільної частки. Таким чином, за внутрішньою структурою ліофільні колоїднічастинки є мікро крапельками.
Ліофобні частинки представляють агрегати з молекул важкорозчинної речовини, що мають кристалічну будову. Сам кристалічний агрегат із окремих молекул називається ядром частинки. На ядрі відбувається еквівалентна адсорбція іонів електроліту, що є у розчині. Такий електроліт називається іоногенним або стабілізуючим. Адсорбція іонів відбувається відповідно до правила Панета-Фаянса (насамперед адсорбуються ті іони, які входять до складу адсорбенту). Іони, що адсорбуються безпосередньо на поверхні ядра, називаються потенціаловизначальними, тому що саме вони визначають заряд частинок. Поверх потенциалопределяющих іонів адсорбуються іони протилежного заряду, звані протиіонами. Частина протиіонів зв'язуються дуже міцно і разом з іонами потенційно пред'являють на поверхні ядра адсорбційний шар. Адсорбційний шар міцно утримується на ядрі частки так, що створюється єдине ціле, яке називається гранулою. Гранула вільно переміщається в розчині, вона має заряд за рахунок надлишку потенціаловизначальних іонів над протиіонами в адсорбційному шарі. Інша частина протиіонів зв'язується не міцно. Вони беруть участь у тепловому русі, розташовуються пухко і в сукупності утворюють поверх адсорбційного шару дифузний шар. Гранула разом з дифузним шаром представляє повну колоїдну частинку, яка називається міцелою. Міцелла електронейтральна. Однак, оскільки при русі частинок протиіони дифузного шару можуть відставати і відриватися, то в розчині колоїдні частинки виявляють заряд гранул.
в цьому випадку реакція закінчується випаданням AgIв осад. Тому для одержання колоїдного розчину AgI необхідно взяти одну з речовин у надлишку. Якщо надлишок КI