колоїдна хімія іі

Лектор – к. хім. н., доц.

Томаровська Тетяна Олександрівна

Національний фармацевтичний університетКафедра фізичної та колоїдної хімії

Тема лекції: «МОЛЕКУЛЯРНО-КІНЕТИЧНІ ТА ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

ДИСПЕРСНИХ СИСТЕМ»

План лекції:1.Молекулярно-кінетичні властивості дисперсних систем.1.1.Броунівський рух.1.2.Дифузія.1.3.Осмотичний тиск.1.4.Седиментаційна стійкість та седиментаційний аналіз дисперсних систем.2.Оптичні властивості дисперсних систем. Оптичні

методи дослідження дисперсних систем.2.1.Ультрамікроскопія.2.2.Нефелометрія.2.3.Турбідіметрія.2.4.Електронна мікроскопія.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

ЛІТЕРАТУРА:1. Фізична і колоїдна хімія / В. І. Кабачний, Л. К. Осіпенко, Л. Д.Грицан та ін. – Х. : Прапор, Видавництво УкрФА, 1999. – 368 с.2. Фізична та колоїдна хімія. Збірник задач / В. І. Кабачний,Л. К. Осіпенко, Л. Д. Грицан та ін. – Х. : Вид-во НФАУ; Вид-во ТОВ“Золоті сторінки”, 2001. – 208 с.3. Фізична та колоїдна хімія: Збірник завдань для самостійної роботи:Навч. посібник для студентів заочної (дистанційної) форми навчанняфармацевтичних вузів і факультетів III—IV рівнів акредитації / В. I.Кабачний, Л. К. Осіпенко, Л. Д. Грицан та ін. За ред. В. I. Кабачного. –Х. : Вид-во НФаУ, 2008. – 140 с.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Молекулярно-кінетичні властивості дисперсних систем

Обумовлені самодовільним рухом частинок

дисперсної фази. До них відносяться:броунівський рух;дифузія;осмотичний тиск;седиментація.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

БРОУНІВСЬКИЙ РУХ

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Броунівський рух

– це тепловий рух

частинок дисперсної

фази в колоїдних та

мікрогетерогенних

системах.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Для великих частинок імпульси, зумовлені

зіткненнями молекул розчинника, взаємно

компенсуються.

Для частинок незначних розмірів за деякий

час число зіткнень молекул або їх

інтенсивність з одного боку будуть більшими,

ніж з іншого, і частинка почне рухатись у

напрямку рівнодіючої усіх сил.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Внаслідок великого числа зіткнень частинка

дуже часто змінює напрямок руху, до 1020 разів

за секунду. Тому траєкторія її руху є ламаною

лінією невизначеної конфігурації. Проекцію

руху частинки на площині можна знайти,

спостерігаючи броунівський рух однієї частинки

в мікроскоп і реєструючи її положення в полі

зору через однакові проміжки часу.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

А

Δ

В

x

Кількісною характеристикою броунівського

руху є середній зсув (зміщення) частинки за час t.

Зміщення однаково ймовірне у будь-якому напрямку,

тому його розраховують як середню квадратичну

величину:

де – окремі проекції зміщення частинки на вісь х, n – кількість таких проекцій, взятих для розрахунку.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

... , , 321

,22

322

21

nn

Величина середнього зсуву частинки можебути точно розрахована на основі статистичнихзаконів. Для сферичної частинки з радіусом rвеличина середнього зсуву прямо пропорційнаабсолютній температурі Т, часу спостереженняt і обернено пропорційна коефіцієнту тертяB = 6r:

B

bTt

2

Δ

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

r

tТb

6

2

rB 6

kNRb A 2/2 rN

tТR

A 6

22

r

tkТ

3

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Для коефіцієнта пропорційності b теорія Ейнштейна дає вираз:

B – коефіцієнт тертя, T – абсолютнатемпература, t – час спостереження, η – в’язкість середовища, k – стала Больцмана.

Таким чином, Δ зменшується при зростанні r. Частинки з розміром 510–6 м тільки коливаються біля будь-якого центру, а при більшому розмірі броунівський рух практично припиняється.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Рівняння Ейнштейна–Смолуховського

містить величини, які можна визначити

експериментально. Результати, отримані для

частинок різної природи і розмірів, показали

дуже близьку відповідність виміряних та

розрахованих значень і стали підтвердженням

молекулярно-кінетичної теорії – доказом

реальності існування молекул і статистичного

характеру другого закону термодинаміки.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

ДИФУЗІЯ

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Дифузія – це самодовільний

процес вирівнювання

концентрації частинок в об’ємі

системи під впливом теплового

руху.

де D – коефіцієнт дифузії.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

-12смD

DkT

r

6 2

2 Dt

Dt2Δ

ОСМОТИЧНИЙ ТИСК

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Особливості осмотичного тиску ліозолів

– мале значення і непостійність (у порівнянні з

істинними розчинами).

Мале значення зумовлене низькою

частинковою концентрацією розчинів.

Непостійність пов’язана зі спонтанною

зміною розмірів частинок внаслідок їх агрегації

або дезагрегації.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Розрахунок осмотичного тиску

де mзаг – маса дисперсної фази, m0 – масачастинки, V – об’єм системи, – частинковаконцентрація, k – стала Больцмана.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

kTN

RTRT

NV

mm

AA

заг

0

Для двох ультрамікрогетерогенних дисперсних систем

1 1 kT 2 2 kT

31

32

32

31

2

1

2

1

34

34

r

r

)r//(с

)r//(с

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

СЕДИМЕНТАЦІЯ

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Седиментація – процесс осідання або

спливання частинок дисперсної фази під дією

сили тяжіння у рідкому або газоподібному

дисперсійному середовищі.

Осіданню частинок завжди протидіє

броунівський рух, який прагне рівномірно

розподілити частинки по всьому об’єму

системи.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Седиментаційно-дифузійна рівновага

Встановлюється в результаті броунівського руху, з одного боку, і дії сили тяжіння – з іншого.

Характеризується рівноважним розподілом частинок за висотою, що описується рівнянням Лапласа–Перрена:

де 1 і 2 – частинкові концентрації на висоті h1 і h2; m – маса частинки; Т – температура; і 0 – густина частинок і середовища відповідно; k – стала Больцмана; g –прискорення сили тяжіння.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

,kT

))(hh(mgln

012

2

1

Седиментаційний аналіз – це аналіз

полідисперсності системи.

На практиці дисперсну систему

характеризують розподілом частинок за

розмірами і фракціями (вміст дисперсної

фази в заданих інтервалах радіусів частинок).

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Ультрамікрогетерогенні системи принципово не відрізняються від молекулярних розчинів. Їх властивості описуються загальними закономірностями, але виражені значно слабше внаслідок малих величин частинкової концентрації.

Властивості мікрогетерогенних систем значно відрізняються від властивостей молекулярних розчинів: частинки цих систем не здатні до хаотичного теплового руху, в них не відбуваються дифузія і осмос.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДИСПЕРСНИХ СИСТЕМ.

ОПТИЧНІ МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСНИХ

СИСТЕМ

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Оптичні властивості дисперсних систем обумовлені їх гетерогенністю.

Якщо пучок світла падає на поверхню частинки, лінійні розміри якої більші, ніж довжина хвилі падаючого світла, відбувається відбивання світла.

Частина світла може проникати всередину частинки, зазнавати заломлення, внутрішнього відбивання та поглинання. Якщо частинки мають розміри менші половинидовжини хвилі падаючого світла, світло розсіюється за всіма напрямками, огинаючи частинки, якізустрічаються на його шляху (явище дифракції).

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Явище розсіювання світла при проходженні світлового пучка через рідке середовище, в якому зависли найдрібніші частинки, вперше спостерігав Тіндаль у вигляді конуса, який світиться (ефект Тіндаля).

Він також спостерігав характерне блакитне світіння колоїдних розчинів на темному фоні при боковому освітленні – явище опалесценції.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Теорія розсіювання світла була розробленаанглійським фізиком Релеєм (1871р.). Для систем знепровідними частинками сферичної форми, радіус

якихменший за довжину хвилі падаючого світла Релей вивівнаступне рівняння:

де Iр – інтенсивність розсіяного світла, I0 – інтенсивність

падаючого світла, n1 і n0 – показники заломленнядисперсної фази і дисперсійного середовища відповідно,V – об’єм частинки, – частинкова концентрація,  –довжина світлової хвилі.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

2

20

21

20

21

4

23

02

24

nn

nnvII p

З рівняння Релея можна зробити наступні висновки:

Інтенсивність розсіяного світла прямо пропорційна:

частинковій концентрації. Це використовують для визначення концентрації дисперсної системи в оптичному методі – нефелометрії.

квадрату об’єму частинки, що використовують для визначення розмірів частинок дисперсної фази в оптичному методі – турбідиметрії.

різниці квадратів показників заломлення дисперсної фази і дисперсійного середовища – світлорозсіювання буде тим більше, чим більша ця різниця.

Величина Ip обернено пропорційна 4. Отже, розсіювання

коротких хвиль (УФ, синіх) відбувається більш інтенсивно і це дозволяє пояснити забарвлення дисперсних систем.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Безбарвні золі (мастики, сульфуру та ін.), при боковому освітленні будуть забарвлені у синій колір, бо найбільше розсіюються короткі хвилі – блакитного і синього світла. Ці ж золі в прямому світлі мають жовто-червоний або червоний колір, що пов’язано з частковою втратою внаслідок розсіювання фіолетової частини спектру. Блакитний колір неба і червоний колір зорі пояснюються тими самими явищами.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Рівняння Релея лежить в основі оптичних методів визначення розмірів частинок і концентрації дисперсної фази ультрамікрогетерогенних систем:

ультрамікроскопії, нефелометрії, турбідиметрії,електронної мікроскопії.

Схема ультрамікроскопа:1 – кювета, 2 – електрична дуга,

3 – лінзи, 4 – щілина, 5 – мікроскоп.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Ультрамікроскопія – досліджувана

дисперсна система освітлюється збоку, і

спостерігають розсіяне світло.

Частинки здаються точками, які світяться

на темному фоні, і роздільна здатність

мікроскопу різко підвищується, що дозволяє

спостерігати частинки з діаметром до 2-3 нм.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

За допомогою ультрамікроскопа не можна безпосередньо визначити розмір і форму частинок, бо спостерігають не частинки, а розсіяне ними світло.

Середній розмір частинок можна знайти наступним чином. За допомогою мікрометричної окулярної шкали ультрамікроскопа виділяють певний об'єм колоїдного розчину і підраховують число колоїдних частинок, які містяться в ньому.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

с – масова концентрація золю; V – виділений оптичний об'єм; – число частинок в об'ємі V; – густина частинок дисперсної фази.

n = /V; n – число частинок в одиниці об'єму, m = c/n = cV/ ; m – маса окремої частинки,

V0 = m/ = cV/; V0 – об'єм окремої частинки.

Якщо частинка має форму сфери, то V0 = r3.Прирівнюючи об'єми, маємо r3 = сV/,

звідки

Для частинок, які мають форму куба:

де l – ребро куба.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

.4

33

cV

r

,3

cV

l

Нефелометрія заснована на вимірюванні інтенсивності світла, розсіяного дисперсною системою. Рівнянню Релея можна надати форму:де K – константа, яка включає параметри, що вважаються сталими при вимірюваннях, с =V – об'ємна концентрація дисперсної фази.

Для двох золів з однаковими чаcтинкамивідношення інтенсивностей розсіяногосвітла дорівнює відношенню концентрацій золів.

При однакових концентраціях відношенняінтенсивностей дорівнює відношенню об'ємівчастинок.

,00

2 cVIKIVKI p

I

I

V

Vp

p

,

,

1

2

1

2

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

I

I

c

cp

p

,

,

1

2

1

2

Приймаючи один із золів за стандартний, можна визначити концентрацію досліджуваного золю, або розмір його частинок.

Вимірювання проводять за допомогою нефелометрів.

Інтенсивності світла, розсіяного стандартним і досліджуваним розчинами, зрівнюють, піднімаючи або опускаючи кювети із золями. Відношення висот двох кювет обернено пропорційне відношенню концентрацій золів, або об'ємів їх частинок.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Турбідіметрія – заснована на вимірюванні інтенсивності світла, яке пройшло через розсіююче середовище.Розсіяне світло можна вважати фіктивно поглиненим, тоді розсіювання світла буде підпорядковуватися закону Бугера-Ламберта-Бера:

де I0 – інтенсивність падаючого світла, Iп – інтенсивність світла, яке пройшло через шар товщиною l, D – оптична густина, – мутність системи.

Мутність = Ip/I0, а звідси і оптична густина, згідно з рівнянням Релея, пропорційні концентрації і квадрату об'єму частинки. Це дозволяє визначити розміри частинок та їх концентрацію за оптичною густиною методом порівняння зі стандартними системами, користуючись фотоелектроколориметром.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

lDI

I 3,2ln

п

0

Світова та електронна мікроскопія

Дозволяють безпосередньо спостерігати частинки і вимірювати їх розміри. Нижня межа світлової мікроскопії 100 нм, електронної мікроскопії 2-5 нм.

– найбільш інформативні методи визначення дисперсності і форми частинок.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Електронна мікроскопія У мікроскопах особливої конструкції

замість світлових променів використовують пучок швидких електронів, що має одночасно і квантову і хвильову природу.

Довжина хвилі в цьому випадку складає 1010–1011м, тобто співмірна з розміром атома.

Це призводить до високої роздільної здатності і дає можливість безпосередньо бачити і фотографувати колоїдні частинки.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Дякую за увагу!

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ