ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Броуновское движение из "Коллоиды" Аи — разность скоростей u и 2 этих слоев, находящихся на расстоянии I друг от друга. [c.23] Коэффициент пропорциональности т], являющийся характеристической величиной для жидкости при данной температуре, называется вязкостью и измеряется в Пз. Вязкость воды при комнатной температуре равна 0,01 Пз. [c.23] Вернемся к броуновскому движению и представим себе, что большая коллоидная частица, которую для простоты примем сферической, погружена в воду, причем размеры ее гораздо больше размеров молекул воды. Коллоидная частица испытывает со всех сторон удары движущихся молекул воды, но так как она по своим размерам значительно превосходит их, частица испытывает одновременно большое число ударов, в среднем равномерно распределенных по ее поверхности и компенсирующих друг друга, в результате чего частица остается неподвижной (рис. 3,а). Коллоидная частица меньших размеров (рис. 3,6) испытывает одновременно меньшее число ударов, и при этом возможно, что они не будут компенсировать друг друга и частица переместится, как показано стрелкой на рис. 3,6. Вследствие хаотического движения молекул воды возможно, что они изменяют направление ударов и частица будет двигаться в другом направлении, затем в третьем и т. д. В результате траектория коллоидной частицы будет иметь вид, показанный на рис. 2. Следовательно, броуновское движение есть результат флуктуаций числа ударов, которые получает коллоидная частица. [c.26] Выяснив причину движения частицы, постараемся разобраться, почему это движение не прекращается. Поскольку трение существует, кинетическая энергия должна переходить в теплоту. Однако выделившаяся теплота передается воде и увеличивает кинетическую энергию ее молекул, которые, в свою очередь, передают эту энергию обратно частице. По этой причине энергия не рассеивается в окружающем пространстве, а остается в растворе, что позволяет коллоидной частице двигаться с неуменьшающейся интенсивностью бесконечно долго. [c.27] Из сказанного ясно, что броуновское движение коллоидных частиц аналогично хаотическому движению молекул в жидкостях, газах и истинных растворах. В таком случае можно ожидать, что и в коллоидных растворах будут наблюдаться явления диффузии и осмоСа. Если в углу комнаты капнуть каплю духов, запах распространится по всей комнате. Если с помощью пипетки осторожно ввести в сосуд с водой каплю раствора сульфата меди синего цвета, то видно, как окрашенная область постепенно расширяется, и через некоторое время вся вода окрасится. Отсюда можно сделать вывод, что когда в объеме, где молекулы вещества движутся свободно, наличествует неравномерное их распределение, постепенно это вещество равномерно распределится по всему объему. Это явление называется диффузией. Для того чтобы наблюдать диффузию, неосложненную другими явлениями, необходимо избегать всякого перемешивания раствора, а также различия в температуре или плотности в отдельных его частях. При несоблюдении этих условий на диффузионный перенос будет накладываться конвективный, вызванный этими причинами. Диффузия присуща и коллоидным растворам при наличии градиента концентрации частиц, и направлена она всегда от более высокой концентрации к более низкой. [c.27] Простейший случай диффузии — диффузия в трубе, где концентрации во всех точках данного сечения одинаковы (рис. 4). Тогда вещество диффундирует только в направлении X (в котором уменьшается концентрация) вдоль оси трубы. Очевидно, что чем больше площадь сечения трубы 5 и время диффузии t, тем большее количество вещества т пройдет через данное сечение М2. Кроме того, оказалось, что количество диф-фундируемого вещества пропорционально отношению АС1АХ, называемому градиентом концентрации, которое характеризует скорость изменения концентрации С с расстоянием X [АС = — С1 и = Х — Хи где С и Сг — концентрации в сечениях М и проведенных в точках с координатами 1 и Ха, см. рис. 4]. Влияние градиента концентрации на диффузию аналогично влиянию наклона Ай/АХ на скорость движения шара, скатывающегося по наклонной плоскости (рис. 5). [c.28] Коэффициент пропорциональности О, называемый коэффициентом диффузии, характеризует интенсивность процесса и зависит от температуры и природы растворителя и растворенного вещества. [c.28] Возникает естественный вопрос если движение молекул и коллоидных частиц хаотично, то почему различие в концентрации превращает беспорядочное движение в направленное (диффузию) В действительности движение молекул и при наличии диффузии остается хаотичным, без определенного направления, но тем не менее, как показал Эйнштейн, оно приводит к переносу вещества от большей концентрации к меньшей. [c.29] Разберем этот, на первый взгляд, парадоксальный факт и рассмотрим диффузию в трубе через сечение площадью 5 (рис. 6). Обозначим через кх среднее расстояние, которое молекула (или коллоидная частица) проходит при своем хаотичном движении вдоль оси X за время t. На расстоянии Х слева и справа от М поместим сечения L] и L2. Примем, что концентрации в полученных малых объемах Vi и Vi, равных SAX, постоянны и равны концентрациям С и Сг в центрах соответствующих объемов. Пусть концентрация l слева будет больше, чем концентрация Сг справа. Хотя молекулы растворенного вещества движутся во всех направлениях, к переносу вещества приводят движения только вдоль оси трубы, так как если молекулы движутся перпендикулярно X, они остаются в этом сечении и не участвуют в диффузии. Когда же они движутся под некоторым углом по отношению к X, их движение можно разложить на две составляющих перпендикулярную к оси, которая не приводит к диффузии, и параллельную оси. Условимся рассматривать только движение молекул вдоль оси трубы и учтем, что вследствие хаотичности движения направления этого движения влево к вправо равновероятны. [c.29] Приведенный вывод позволяет понять механизм диффузии несмотря на хаотический характер движения частиц, перенос вещества происходит вследствие того, что из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией движется большее число частиц, чем в обратном направлении. [c.30] Эксперименты, проведенные Перреном, имели большое значение. В начале нашего века среди химиков и физиков пользовались большой популярностью энергетические взгляды известного немецкого фи-зико-химика В. Оствальда. Он считал мол кулы и атомы не существующими реально, а являющимися лишь понятиями, выдуманными учеными для обозначения места в пространстве с повышенным содержанием энергии. Но теория Эйнштейна показала, что процесс диффузии должен проходить одинаковым способом для молекул и коллоидных частиц. Подтверждение этой теории опытами Перрена, проведенными с частицами гуммигута, в реальности которых никто не сомневался, доказало и реальность молекул. [c.31] В некоторых случаях коэффициент диффузии можно вычислить теоретически, если известны форма и размер частиц, или, наоборот, можно определить форму и размер из определения О. Для этого надо знать, какие факторы определяют величину коэффициента диффузии. Диффузия есть результат движения частиц (или молекул) и ее интенсивность растет. с повышением температуры Т. С другой стороны, диффузия будет тем медленнее, чем большее сопротивление встречают частицы при своем движении, т. е. чем больше коэффициент трения В [см. уравнение (2)]. Следовательно, коэффициент диффузии пропорционален Т и обратно пропорционален А, т. е. [c.31] Неприменимо для описания седиментации частиц коллоидных размеров, так как при выводе его мы не учитывали броуновского движения, а оно стремится выравнять концентрацию в растворе, з то время как седиментация стремится увеличить ее у дна сосуда за счет уменьшения в верхних слоях. [c.32] Рассмотрим, к чему приводит конкуренция этих двух факторов. Допустим, что коллоидный раствор не находится в поле тяжести Земли (этого можно достичь, например, если поместить раствор на спутник). Тогда в этом растворе не происходит седиментации, и концентрация его одинакова во всех точках. А теперь включим гравитационное поле — частицы устремятся к дну сосуда. Изменение концентрации, вызванное седиментацией, создаст концентрационный градиент АС/АХ по высоте сосуда, который, в свою очередь, приведет, согласно закону Фика (5), к диффузии вещества от концентрированных нижних слоев раствора к разбавленным верхним. [c.32] Это уравнение является одним из наиболее важных законов физики и называется законом Больцмана. Закон Больцмана применим только в случае отсутствия взаимодействия между частицами. Как мы увидим далее, коллоиднь1е частицы (как и молекулы, и ионы в растворе), взаимодействуют между собой, но в ряде случаев энергия этого взаимодействия много меньше энергии внешнего поля, что позволяет широко применять закон Больцмана в коллоидной химии. [c.33] Отсюда видно, что концентрация раствора увеличивается к периферии сосуда, если л О, т. е. если частицы тяжелее растворителя. Измерив концентрации на высотах Xj и Х2 по вышеприведенной формуле, можно определить эффективную массу частицы ц, а отсюда и размер ее. Если имеется раствор высокомолекулярного вещества, то можно определить его молекулярную массу. [c.34] Конечно, все эти закономерности сохраняются и при седиментации в гравитационном поле, но вследствие того, что ускорение силы тяжести на Земле сравнительно мало, частицы с малой массой в таком поле трудно исследовать. С другой стороны, центробежное ускорение можно менять в широких пределах. Это привело к созданию широко распространенного сейчас метода исследования коллоидных и высокомолекулярных растворов с помощью ультрацентрифуги. [c.34] Как и для газов, с повышением концентрации расстояние между молекулами уменьшается и начинают проявляться силы межмолекулярного взаимодействия (см. главу III). В этом случае явление усложняется, и простое уравнение Вант-Гоффа перестает выполняться. [c.37] В коллоидных растворах также наблюдается осмотическое давление, но так как его величина зависит от концентрации коллоидных частиц,, а при одной и той же массе растворенного вещества концентрация коллоидного раствора мала, то и осмотическое давление в этом случае мало и трудно измеримо. Несмотря на это, осмотические измерения иногда используют для определения концентрации коллоидного раствора. Для растворов высокомолекулярных соединений из этих измерений можно найти молекулярную массу, так как количество грамм-молей растворенного вещества п связано с молекулярной массой Ai и с массой G растворенного вещества формулой п = G/M. [c.37] Осмос играет исключительно важную роль в биологии. Всякий живой организм состоит из чрезвычайно большого количества клеточных мембран, через которые идет обмен веществ. Эти мембраны являются высокоспецифичными и обладают идеальными полупроницаемыми свойствами. Например, слизистая оболочка желудка поддерживает в нем в 4ХЮ раз большую концентрацию ионов водорода, чем в крови. Мембрана, отделяющая белок от желтка в курином яйце, поддерживает концентрацию ионов водорода в желтке в тысячу раз ббльшую, чем в белке. [c.37] Вернуться к основной статье