Термодинамика коллоидных систем. Основные понятия, законы и практическое использование термодинамических функций в коллоидной химии.

Знак минус перед правой частью уравнения, так как с увеличением значений величина уменьшается. Уравнение можно представит в виде:,где - удельный поток диффузии, характеризующий количество вещества, переносимое за единицу времени через единицу площади.,Принимая отсюда , т.е. коэффициент диффузии численно равен количеству вещества, про диффундировавшего через единицу площади в единицу времени.,Это уравнение Эйнштейна. Для частиц, по форме близких к сферическим, .,где - масса 1 моля вещества.Так как существует связь между броуновским движением и диффузией, то должна существовать связь между средним квадратичным значением проекции смещения частицы и коэффициентом диффузии . Эта связь была установлена Эйнштейном (1905г.) и независимо от него Смолуховским (1906 г.):.Пользуясь уравнением Эйнштейна-Смолуховского и, зная и всех величин, можно вычислить число Авогадро.Теория броуновского движения, созданная Эйнштейном и Смолуховским, подтвердила реальное существование молекул. Исследование броуновского движения привело к созданию теории флуктуации и способствовало развитию статической физики.Флуктуации представляют собой спонтанные отклонения какого-нибудь параметра от среднего равновесного значения в достаточно малых объемах системы. Флуктуация представляет собой явление как бы обратное явлению диффузии.2.4 Гипсометрический закон ЛапласаУравнение Лапласа носит название гипсометрического закона..Этот закон был экспериментально подтвержден Перреном (1910г.). Изучая распределение монодисперсной суспензии гуммигута, он использовал уравнение Лапласа для определения числа Авогадро, которое оказалось равным 6,82*1023 (точное значение 6,024*1023). Гипсометрический закон соблюдается и в аэрозолях, частицы которых имеют небольшую плотность и размер не более 0,05мкм. Этому закону подчиняется распределение газа по высоте:.С помощью этой формулы удобно вычислять для любой свободнодисперсной системы величину , представляющую собой высоту, на которую надо подняться, чтобы численная концентрация уменьшилась с до .Глава 3. Оптические свойства коллоидных систем.3.1 Поглощение света дисперсными системами. Зависимость поглощения от концентрации. Закон Бугера-Ламберта-БераВ 1760г. Ламберт, а еще ранее Бугер установили следующую зависимость между интенсивностью прошедшего света и толщиной среды, через которую этот свет прошел: ,где - интенсивность прошедшего света;- интенсивность падающего света; - коэффициент поглощения; - толщина поглощающего света.Согласно закону Бугера-Ламберта – каждый последующий слой поглощает ту же долю проходящего света, что и предыдущий.Бер показал, что коэффициент поглощения растворов с абсолютно бесцветным и прозрачным растворителем пропорционален молярной концентрации растворенного вещества: .Вводя значение молярного коэффициента поглощения в уравнение Бугера-Ламберта, получим закон Бугера-Ламберта-Бера:.Закон устанавливает зависимость интенсивности прошедшего света от толщины слоя и концентрации растворенного вещества.Логарифмируя уравнение, получим:,где - оптическая плотность раствора ;- светопропускание раствора.Если , тогда .Если , раствор не адсорбирует света, тогда закон Бугера-Ламберта-Бера имеет вид:,т.е. интенсивность прошедшего света будет равна интенсивности падающего.Молярный коэффициент поглощения зависит от длины волны адсорбирующего света, температуры и природы растворенного вещества и растворителя и не зависит от концентрации раствора.Закон Бугера-Ламберта-Бера приложим для золей высокой дисперсности, если слой жидкости не слишком толст, а концентрация раствора не слишком большая.Для металлических золей уравнение светопоглощения должно учитывать дисперсность системы:.3.2 Рассеяние света коллоидными системами. Конус Тиндаля. Закон Релея и его анализТиндаль (1869г.) наблюдал образование светящегося конуса при пропускании пучка света через коллоидный раствор.Светорассеивание наблюдается только тогда, когда длина световой волны больше размера частицы дисперсной фазы. Если длина световой волны много меньше диаметра частицы, происходит отражение света, проявляющиеся в мутности, заметной визуально. Все коллоидные растворы способны рассеивать свет (опалесцировать). Опалесценция становится особенно заметной, если через раствор пропускать пучок сходящихся лучей, поставив между источником света и кюветой с раствором линзу. При этих условиях в коллоидном растворе, наблюдаемом сбоку, виден ярко светящийся конус (конус Тиндаля).Релей вывел уравнение, связывающее интенсивность падающего света с интенсивностью света, рассеянного единицей объема системы .,где - показатели преломления дисперсной фазы и дисперсной среды; - численная концентрация; - объем одной частицы; - длина световой волны.Уравнение Релея применимо для частиц, размер которых составляет не более 0,1 длины световой волны. Для частиц большего размера изменяется обратно пропорционально не четвертой, а меньшей степени . Когда частицы становятся настолько велики, что их размер значительно превышает , светорассеивание переходит в отражение света, не зависящее от длины световой волны.Из уравнения Релея можно сделать следующие выводы: •Для частиц данного размера интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна концентрации золя.•Интенсивность рассеянного света пропорциональна квадрату объема частицы или для сферических частиц шестой степени их радиуса.•При опалесценции под действием белого света при боковом освещении бесцветные коллоидные системы обнаруживают синеватую окраску.•Опалесценция золей интенсивнее, чем растворов ВМС из-за большей плотности.•Опалесценция истинных растворов весьма незначительна, т.к. вследствие малого объема частиц выражение в численном уравнение Релея очень велико.3.3 Уравнение Ньютона, Пуазейля, Бингама. Реологические зависимости. Уравнения Эйнштейна для определения вязкости коллоидных системЖидкообразные тела классифицируют на:1. ньютоновские жидкости – системы, вязкость которых не зависит от напряжения сдвига и является постоянной величиной в соответствии с законом Ньютона;2. структурированные – течение которых не следует закону Ньютона, их вязкость зависит от напряжения сдвига; 2.1 стационарные – реологические свойства которых не изменяются со временем;2.2 нестационарные – для которых эти характеристики зависят от времени.Вязкость – способность жидкого вещества оказывать сопротивление движению. В жидкостях вязкость обусловлена внутренним давлением и с повышением температуры вязкость понижается. В газах вязкость обусловлена тепловым движением молекул, с повышением температуры вязкость возрастает.Коэффициент вязкости представляет собой силу сопротивления , которая возникает между слоями текучего тела с поверхностями площадью и удаленными друг от друга на расстояние при перемещении их относительно друг друга со скоростью . - динамическая вязкость.Свойства вещества, противоположные вязкости, называется текучестью, а величину противоположная коэффициенту вязкости коэффициент вязкости.Кинематическая вязкость учитывает плотность вещества и связана с динамической вязкостью:.Жидкости способные течь, но не подчиняющиеся закону Ньютона, принято называть аномальными. По определению вязкости, данному Ньютоном, сила внутреннего трения , равная по значению, но обратная по направлению приложенной извне силе, пропорциональная площади слоя , к которому приложена эта сила, и градиенту скорости движения между слоями:.Относя силу к площади, тогда уравнение будет выглядеть так:,где - напряжение сдвига, поддерживающее течение жидкости.Ламинарное течение жидкости по трубкам описывается уравнением Пуазейля:,где - объемная скорость истечения; - радиус и длина трубки;- разность давлений на концах трубки;- вязкость жидкости. Бингам выразил пластическую вязкость уравнением:,где - угол, образуемый прямой с осью абцисс.Однако для большинства структурированных коллоидных систем зависимость от выражается не прямой, а кривой.Причина такого явления заключается в том, что при достижении предела текучести структура разрушается не сразу, а постепенно по мере увеличения градиента скорости жидкости.Различают три критических напряжения сдвига:1. - первый, или минимальный, предел текучести, соответствующий началу течения.2. - предел текучести по Бингаму, отвечающий отрезку на оси абсцисс, отсекаемому продолжением прямолинейного участка кривой.3. - максимальный предел текучести, соответствующий значению , при которой кривая переходит в прямую линию.Первая аксиома реологии: при всестороннем равномерном сжатии материальные системы ведут себя одинаково – как идеальные упругие тела.Вторая аксиома реологии: любая материальная система обладает всеми реологическими свойствами.Эйнштейном была установлена связь между вязкостью дисперсной системы и объемной долей дисперсной фазы :,где - вязкость дисперсной среды.Была установлено, что коэффициент при зависит от формы частиц, поэтому уравнению Эйнштейна можно придать более общий вид:,где - коэффициент, зависящий от формы частицы дисперсной фазы.Для относительной и удельной вязкости дисперсной системы уравнение Эйнштейна переходит в следующие соотношения: .ЗаключениеКоллоидные дисперсные системы (дисперсии) – микрогетерогенные образования, в которых одно мелкораздробленное вещество – дисперсная фаза – равномерно распределено (диспергировано) в другой фазе – дисперсионной среде. В коллоидных системах размер частиц дисперсной фазы составляет 10–9 –10–7 м, т.е. лежит в интервале от нанометров до долей микрометров. Эта область превосходит размер типичной малой молекулы, но меньше размера объекта, видимого в обычном оптическом микроскопе.Вся природа — организмы животных и растений, гидросфера и атмосфера, земная кора и недра — представляет собой сложную совокупность множества разнообразных и разнотипных грубодисперсных и коллоидно-дисперсных систем. Дисперсное состояние вполне универсально и при соответствующих условиях в него может перейти любое тело. Этим определяется особое положение коллоидной химии – науки, занимающейся изучением коллоидных систем и их поверхностных явлений, развитие которой осуществляется в непосредственном контакте и взаимодействии со многими, часто не связанными между собой областями науки, промышленности, медицины и сельского хозяйства.Коллоидная химия изучает все многообразие коллоидных систем, включающее следующие их типы: суспензии, золи, гели, эмульсии, пены, аэрозоли, мицеллы.Глобальная роль коллоидов заключается в том, что они являются основными компонентами таких биологических образований как живые организмы. Все вещества организма человека представляют собой коллоидные системы.Список используемых источников1. Фролов, Д.Г. Курс коллоидной химии [Текст]/ Д.Г. Фролов. - Москва: Книжный мир, 1989.2. Коллоидные системы в организме и их функции [Электронный ресурс]: режим доступа: https://www.bestreferat.ru/referat-114337.html3. Кузнецов, В.В. Физическая и коллоидная химия [Текст]/ В.В. Кузнецов – Москва: Высшая школа ,1968.4. Коллоидная химия [Электронный ресурс]: режим доступа: https://works.doklad.ru/view/_YYZZmaRlTE.html5. Физическая и коллоидная химия [Электронный ресурс]: режим доступа: http://www.chem.msu.ru/rus/teaching/lecture-courses-nonchem/kargov.html6. Термодинамика дисперсных систем и поверхностных явлений [Электронный ресурс]: режим доступа: http://www.catalysis.ru/block/index.php?ID=5&SECTION_ID=9807. КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ: вопросы, ответы и упражнения. Пособие для студентов химического факультета [Электронный ресурс]: режим доступа: http://elib.bsu.by/bitstream/123456789/108529/5