ПӘннің ОҚУ-Әдістемелік кешені «Коллоидты химия» «5В072100» – Органикалық заттардың химиялық технологиясы» мамандығы үшін ОҚУ-Әдістемелік материалдары

с₀-ден с_h- қа дейін, сәйкесінше 0-ден h-қа дейін интегралдап мына теңдеуді аламыз.

Егер (6) –шы теңдеудегі с орнына р қойсақ, белгілі барометрлік формуланы аламыз.

Биіктік бойынша газ молекулаларының таралуы осы гипсометриялық заңға(8) бағынады.

Бұл теңдеу арқылы кез-келген босдисперсті жүйе үшін h мәнін есептеп табуға болады. h дегеніміз сандық концентрация (немесе салмақтық концентрация) ν₀ ден ν_h-қа дейін немесе ν₀ / ν_h есе төмендейтіндей биіктік. Мысалы концентрация қандай биіктікте екі есе азаятынын білгіміз келсе, ν₀ / ν_h=2 деп алып h мәнін есептеуге болады.

Жүйеде бөлшектердің тепе-тең таралуына мынадай факторлар кедергі келтіруі мүмкін: болмашы соққы, шайқау, зольдің әр учаскесінде температураның біркелкі болмауы. Мысалы жоғарыдисперсті золь температурасы 1 сағат ішінде 0,001⁰С-ге ауытқуының өзі, алтынның жоғарыдисперсті золінде мүлдем седиментацияны болдырмай тастайды.

Қалай дегенмен, жүйеде бөлшектер таралуының тепе-тең күйі орнағаннан кейін лиозольдер үшін гипсометриялық заң дәл сақталады.

Ауырлық күшінің әсерінен бөлшектердің тұнбаға түсу процесін седиментация деп атайды. Тұнбаға түсу жылдамдығы бөлшектердің көлеміне, тығыздығына, ортаға, сұйықтыққа және ауырлық күшінің уақытына тәуелді. Стокс заңы бойынша қозғалу кезінде бөлшектер сфералық тұтқыр ортада қарсылық күшін сезеді, ол тең

мұндағы, - орта тұтқырлығы, , r – бөлшек радиусы, м.

U – тұнба түсу жылдамдығы, м/сек, Басқа жақтан бөлшекке күш әсер етеді.

мұндағы, - дисперсті ортадағы бөлшектер тығыздығының айырымы, кг/м³

q – ауырлық күшінің жылдамдығы, м/сек²

тең болғанда және тұрақты температурада тұнбаға тұрақты түсу жылдамдығына жетеді

мұндағы, берілген суспензияға тұрақты шама.

Тұнбаға түсу жылдамдығы бөлшек радиусына тәуелді. Мысалы, саз бөлшегінің 1∙10^-5 м радиусты 1см-ге 43сек.уақыт өтеді, ал 2∙10^-6 м радиуста 17 минут, 1∙10^-8м радиуста – 500 күн кетеді. Егер бөлшек тығыздықта қозғалатын болса, онда оның қозғалысы төменнен жоғарыға, ал зат бөлшегінің тығыздығы немесе орта тығыздығына тәуелді болады.

Суспензияда және бөлшектер тұнбаға түседі, эмульсияда сондықтан бөлшектер қалқып шығады. Мысалы, судағы саздың тұнуы, сүттегі қаймақтың түзілуі жатады.

Бөлшектердің толық түсуі ауырлық күшінің әсерінен болмайды, өйткені оған қарсы броундық қозғалыс әрекет етеді, яғни ол бөлшектерді ерітіндінің барлық көлеміне тең бөлуге тырысады. Броун қозғалысының әсері көп әсер етеді, егер бөлшектің көлемі кішкентай болған жағдайда.

Егер бөлшектердің негізгі бөлігі қысқа мерзімде тұнса, онда ондай жүйені кинетикалық тұрақсыз деп атайды, ал егер бөлшектер ұзақ мерзім ішінде тепе-тең бөлінсе, оны кинетикалық тұрақты жүйе деп атайды.

Суспензия мен эмульсиялар – бұлар кинетикалық тұрақсыз жүйе, ал коллоидты жүйе мен ерітін ділер жоғарғы молекулярлы – кинетикалық тұрақты.

Седиментация процесі кинетикалық тұрақсыз жүйе – суспензияға тән.

Кинетикалық тұрақты тұнуды қарапайым жағдайда түзуге болады, егер жердің ауырлық күшінің центрге тартқыш күші жоғары болса. Центрифуга арқылы центрге тартқыш күшті алуға болады, 10⁵ есе артық ауырлық күші бар және бөлшектің тұну жылдамдығын сонша есе жылдамдатуға болады. Центрифугат қолдану арқылы коллоид пен жоғарғы молекулярлы ерітінділерге седиментация жүргізуге болады.

Седиментациялық анализ тұнған бөлшектердің жылдамдығын өлшеуге негізделген. Тәжірибеде кездесетін суспензия қарапайым полидисперсті, онда әртүрлі көлемдегі бөлшектер болады. Седиментация процесі өндірісте қолданылады. Тұну жылдамдығын бақылау бөлшектердің салмақтық, сандық анықтауға әртүрлі көлемдегі полидисперсті жүйедегі мүмкіндік береді. Бұл принципке сүт сепараторының жұмысы негізделген, яғни сүттен қаймақты айыру процесі. Сепарация процесі (айыру) центрлік тартқыш күш арқылы тез өтеді, сүттің сол қалпында тұрғанына қарағанда.

Седиментацияны қолдану центрге тартқыш өріс арқылы жоғарғы молекулярлы ерітінділердегі бөлшектердің көлемін анықтайды.

Сұйық не газды ортадағы ұнтақталған заттың бөлшектері қарама-қарсы бағытталған екі күштің әсерінде болады. Олардың біріншісі бөлшекті төмен тартып, тұнбаға немесе шөгіндіге түсіруге бағытталған ауырлық күш, ал келесі бөлшектерді берілген көлемде біркелкі таратуға ұмтылған, яғни бөлшек концентрациясы мол жақтан, аз жаққа қарай ауысуына әсер ететін өздігінен жүретін диффузиялық күш. Дисперстік системаға әсер ететін ауырлық және диффузиялық күштің қайсысының басым болуына байланысты оның күші анықталады: ауырлық күші артық болса, ондайда дисперсті системаның бөлшектері көбірек шөгеді, ал диффузиялық күш басым болса, онда дисперстік системадағы бөлшектер тұнбаға түспей жүзгін түрінде болады. Осы айтылғандарға орай, дисперсті фазаның система көлемінде біркелкі таралып, тұрақты күйде болуын седиментациялық немесе кинетикалық тұрақтылық деп атайды, ал ауырлық күші әсерінен бөлшектердің тұнбаға түсу процесі седиментация деп аталады. Системадағы бөлшектердің тұнбаға түсу жылдамдығы осы бөлшектердің өлшеміне, дисперстік ортаның тұтқырлығына және бөлшек тығыздықтарына тәуелді:

υ= 2/3 · r² (d-d) g / η

мұндағы υ- бөлшектердің тұнбаға түсу жылдамдығы; r- бөлшек радиусы; d және d₀- дисперсті бөлшек пен дисперстік ортаның тығыздықтары; η- дисперстік ортаның тұтқырлығы; g- еркін түсу үдеуі.

Дисперсті фаза өте ұсақ болса диффузия жылдамдығы үлкен болады. Ал олар іріленген сайын диффузия жылдамдығы баяулайды. Бөлшектің радиусы 2 нм-ден үлкен болса, броундық қозғалыс байқалмайды, демек олардың диффузиялық қабілеті нөлге тең. Мұнда ауырлық күші диффузиялық күштен басым.

Егер дисперсті системадағы ауырлық күші мен диффузия күші өзара тең болса, онда седиментация мен диффузия жылдамдықтарының тепе-теңдігімен сипатталатын седиментациялық тепе-теңдік деп аталатын күй орнайды. Мұндайда берілген дисперсті системаның бірлік өлшемі арқылы ауырлық күшінің әсерінен төменқарай қанша бөлшек өтсе, диффузиялық күш ықпалынан жоғарыға қарай сонша бөлшек өтеді. Осындай седиментациялық тепе-теңдік коллоидты системаға ғана емес, молекулалық-дисперстік системалар үшін де тән құбылыс. Сондай-ақ бұл тепе-теңдік системадағы бөлшек концентрацияларының уақыт өткен сайын баяу болса да төменнен жоғарыға қарай кеми беретіндігімен де сипатталады. Сұйық бағанасындағы бөлшектер өзінің өлшеміне сәйкес әртүрлі биіктікте, айталық ірілері төмен, ал ұсақтары жоғары орналасады екен. Бұл құбылысты сипаттау үшін Лапластың гипсометриялық немесе барометрлік заңын коллоидты системаға пайдалануға болады: золь бағанасының биіктігін арифметикалық прогрессияда көбейткенде, бөлшек концентрациясы геометриялық прогрессияда кемиді. Бұл заңдылықты математикалық тұрғыдан өрнектесек:

h = RT ln C₁/С₂ / M·g

мұндағы C₁ – берілген биіктіктегі дисперсті системаның концентрациясы; С₂ – осы системаның h биіктіктегі концентрациясы; h- өлшентін бағ- өлшентін бағана биіктігі; М- заттың салщыстырмалы молекулалық массасы; g- еркін түсу үдеуі. Әуелде Лапластың гипсометриялық заңы газ тәрізді және молекулалық-дисперстік системаларға арналып тұжырымдалған болатын. Бертін келе Перрен оны коллоидтық-дисперстік, тіпті ірі дисперстік системаларға қолданды. Осы мақсатпен Перрен радиустері әртүрлі көптеген шариктер әзірлеп, оларды өлшеміне орай сұрыптап, дисперстік ортаны да белгілі сипатта даярлап, көптеген тәжірибелер жүргізді. Олардың нәтижесі Лаплас заңына қайшы келмеді. Сонымен, ол әртүрлі биіктіктегі бөлшектердің санын анықтай келіп, Авогадро санының мәнін асқан дәлдікпен табуға болатынын көрсетті.

Перрен өз тәжірибелерінің нәтижесінде басқа да әдістер мен теңдеулер көмегімен анықталған Авогадро санының мәнінен алшақ емес, қанағаттанарлықтай дерек алды. Олай болса Перрен еңбектеріндегі зерттеулер тек молекулалық-кинетикалық теорияның дұрыстығын дәлелдеп қана қоймай, оны коллоидтық-дисперстік системаларға да қолдануға болатынын бұлжытпай, ешбір шүбәсіз дәлелдеп берді.