Как можно заставить коллоидные частицы оседать быстрее?

Ускорить седиментацию можно с помощью центрифугирования, при котором на частицы действует центробежная сила, в сотни тысяч раз превышающее гравитационное поле земли. В частности, в центробежном поле с ускорением 10⁵g та же суспензия кварца должна оседать на 1 см всего за 3 с.

Кто впервые предложил использовать ультрацентрифугу для определения размера коллоидных частиц, и кто использовал эту идею для разработки конструкций ультрацентрифуг?

Вы, конечно, вспомнили имена этих известных ученых: это А.В. Думанский и Т. Сведберг. Думанский впервые применил центрифугу для осаждения коллоидных частиц. Затем Сведберг разработал специальные центрифуги с огромным числом оборотов, названные ультрацентрифугами. С их помощью достигается центростремительное ускорение свыше 25000g. Со времени Сведберга принципиальное устройство ультрацентрифуги не изменилось. (Изобразите его схематично.) Усовершенствование шло по пути создания условий равномерного вращения ротора и новых конструкций кювет.

Современная ультрацентрифуга представляет собой сложный аппарат, центральной частью которого является ротор с тончайшей регулировкой температуры и оптической системой контроля процесса осаждения. Ультрацентрифугу можно использовать не только для определения размеров, формы, степени ассоциации и полидисперсности частиц, но и для препаративных целей, например, для разделения смесей высокомолекулярных соединений в растворах на отдельные фракции, отличающиеся размером молекул, фракционирования вирусов, нуклеиновых кислот.

Помимо скоростных ультрацентрифуг, в которых седиментация преобладает над другими молекулярно-кинетическими процессами, применение нашли ультрацентрифуги с меньшим числом оборотов (до 20000 об/мин), в которых анализ дисперсных систем проводят в условиях седиментационно-диффузионного равновесия.

Что такое седиментационно-диффузионное равновесие?

Процесс седиментации постепенно приводит дисперсную систему к упорядоченному состоянию, т. к. оседающие частицы располагаются в соответствии с их размерами (в нижних слоях преобладают более крупные, а в верхних – более мелкие). Через определенный промежуток времени все частицы могли бы осесть, как бы малы они ни были. Однако этому противодействует броуновское движение и диффузия, стремящиеся распределить частицы равномерно по всему объему дисперсионной среды. Между процессами седиментации и диффузии устанавливается равновесие, характеризуемое неоднородным, но постоянным распределением частиц по высоте столба. Мелкие частицы сильнее испытывают влияние диффузии и располагаются в основном в верхних слоях, более крупные частицы под действием силы тяжести располагаются в нижних слоях. Установившееся состояние системы называют седиментационно-диффузионным равновесием, которое характеризуется гипсометрическим распределением частиц. Путем подсчета частиц на двух уровнях можно определить массу и радиус частиц. (Приведите формулу, позволяющую это сделать. Какой ученый, работая с суспензией гуммигута, использовал эту формулу для определения числа Авогадро?) Седиментационно-диффузионное равновесие – одно из проявлений молекулярно-кинетических свойств высокодисперсных систем. Седиментационно-диффузионное равновесие устанавливается в системах с размерами частиц менее 0,1 мкм. Для частиц с размерами >>1 мкм уже наблюдается седиментация, т. е. свободное оседание частиц под действием силы тяжести. (В каких дисперсных системах процесс диффузии преобладает над седиментацией?)

Вопросы и задания для самоконтроля знаний по материалу 6-й лекции

1. Для каких дисперсных систем характерно проявление молекулярно-кинетических свойств?

2. Какую роль играет флуктуация значений кинетической энергии молекул дисперсионной среды в проявлении молекулярно-кинетических свойств дисперсных систем?

3. Что такое частичная концентрация применительно к коллоидным системам?

4. Определите частичную концентрацию 0,2 %-ного золя золота (ρ = 19,6 г/см³) с размером частиц r = 20 нм и 0,4 %-ного золя с размером частиц r = 5 нм.

5. Что такое осмос? Дайте определение осмотическому давлению.

6. Приведите уравнение Вант-Гоффа. Дайте пояснения по поводу величины осмотического давления истинных растворов и коллоидных систем.

7. Назовите особенности осмотического давления коллоидных систем. Как влияет присутствие электролитов на величину осмотического давления?

8. Во сколько раз осмотическое давление раствора сока сахарной свеклы P₁, молекулы которого имею диаметр d = 0,8 нм, превышает осмотическое давление коллоидного раствора свекловичного сока P₂ с диаметром частиц d = 80 нм. при одинаковой суммарной массе частиц в обоих образцах на единицу объема жидкости? Плотность вещества частиц считать одинаковыми.

9. Что такое обратный осмос? Для каких целей он используется?

10. Для получения питьевой воды из морской полый шар из пористого стекла опускают на глубину более 250 м. Через некоторое время он оказывается заполненным обессоленной водой, пригодной для питья. Объясните, как в этом шаре оказалась питьевая вода.

11. Концентрирование многих пищевых продуктов (соков, экстрактов, сиропов и т. п.) производят обратным осмосом при давлении 17 МПа в аппарате с ацетилцеллюлозной мембраной. Рассчитайте концентрацию получаемого раствора, если осмотическое давление в нем при 20 °С равно:

а) 1,48 МПа для апельсинового сока;

б) 2,45 МПа для экстракта кофе.

12. Что такое седиментационная устойчивость дисперсных систем?

13. Дайте определение седиментации и выведите формулу для расчета скорости седиментации сферических частиц.

14. Что такое константа седиментации? Какова ее размерность?

15. Какая величина является мерой кинетической устойчивости дисперсной системы?

16. Получите формулу, характеризующую седиментацию частиц в центробежном поле.

17. Что такое седиментационно-диффузионное равновесие? В каких системах оно устанавливается?

18. Опишите устройство ультрацентрифуги. Для каких целей можно использовать ультрацентрифугирование?

 

Знакомимся с основными понятиями физической химии (для курсантов военного факультета)

Повторяем курс физической химии (для студентов химического факультета)

1. Химический потенциал

2. Коллигативные свойства

3. Закон Вант-Гоффа

 

ЛЕКЦИЯ 7

«Коллоиды – суть телá, по-видимому, сложного состава, большого веса частицы»

Д.И. Менделеев

Вам уже хорошо известно, что основная характеристика, от которой зависят свойства дисперсных систем – это размер частиц дисперсной фазы. Оценку дисперсности можно проводить различными методами. Совокупность таких методов называют дисперсионным анализом. С одним из подходов дисперсионного анализа Вы уже познакомились при изучении мембранных процессов. Это ситовый метод, основанный на механическом разделении частиц неодинаковых размеров путем пропускания их через сита с определенным диаметром пор. Предложите другие подходы, которые можно использовать для дисперсионного анализа.

Самый очевидный способ оценки размера частиц дисперсных систем – это измерение параметров отдельных частиц, например, при визуальном изучении образцов. Так, рассматривая сахар-песок или сахарную пудру, мы легко можем установить, что частицы сахара-песка более крупные и имеют форму куба; используя оптический микроскоп со шкалой или даже линейку, мы можем с определенной точностью измерить длину граней отдельных песчинок. Она составляет приблизительно 1 мм. Это в 1000 раз больше, чем характеристический размер частиц сахарной пудры. В большинстве случаев требуется оценить размер более мелких объектов, например, частиц дисперсной фазы золей. Для этого уже необходимо использовать электронный микроскоп, который обладает гораздо большей разрешающей способностью (электронномикроскопический анализ). К данному подходу относятся и методы, предполагающие измерение других параметров дисперсных систем, например массы частиц, оптической плотности пленок и т. п.

Третья группа методов дисперсионного анализа основана на изучении свойств большого количества (ансамбля) частиц. Среди них выделяют методы седиментационного анализа, методы определения удельной поверхности частиц (адсорбционные методы). В последнем случае, зная удельную поверхность и форму частиц, можно определить их размер (см. лекцию 2).