Коллоидная химия

Это уравнение справедливо только для условий, при которых выполняется закон Стокса, а именно:

• частицы имеют сферическую форму;

• движутся ламинарно, независимо друг от друга и постоянной скоростью;

• трение является внутренним для дисперсионной среды.

Эти условия выполняются только для систем, в которых размеры частиц лежат в пределах см.

Если размеры частиц больше см, при их соединении достигается высокая скорость, разрывается слой дисперсной фазы, облегающий частицу, вслед за движущейся частицей создаются завихрения, обусловливающие разность давлений, которая тормозит движение частиц. В результате этого ламинарный режим движения нарушается - возникает турбулентность. Если сила тяжести превышает силу трения, движение становится равноускоренным, а следовательно, приведенное выше уравнение становится неприменимым.

Если размеры частиц меньше см, то такие частицы участвуют в броуновском движении, следствием которого является диффузия, направленная противоположно седиментации, кроме того, на движение таких частиц сильно влияют конвекционные тепловые потоки.

На седиментацию отдельной частицы не должны влиять соседние частицы. Чтобы избежать взаимного влияния частиц, необходимо проводить седиментацию в достаточно разбавленных суспензиях (с концентрацией не выше 1%). Конечно, если взять еще более разбавленную суспензию, межчастичные взаимодействия будут проявляться еще в меньшей степени. Но чем более разбавлена суспензия, тем меньше масса осадка и тем больше ошибка измерения. Таким образом, в седиментационном анализе используют суспензии, размеры частиц в которых лежат в пределах от до см, а концентрация составляет 0,5-0,6%.

Важным условием применимости седиментационного анализа является полная смачиваемость частиц жидкостью, в которой они оседают. В этом случае на поверхности твердых частиц образуется слой из молекул жидкости, перемещающийся вместе с частицей. При движении частиц происходит скольжение между двумя слоями жидкости (а не между твердой поверхностью и жидкостью) и в уравнении Стокса величина действительно представляет собой коэффициент вязкости жидкости. Кроме того, следует иметь в виду, что на несмачивающихся частицах обычно образуются воздушные пузырьки, искажающие Результаты определения. Наконец, если частицы, плохо смачиваются средой, то происходит агрегация частиц, а также искажает результаты анализа. Если исследуемое вещество не смачивается данной жидкостью, необходимо добавить смачиватель (обычно вводят какое-либо поверхностно-активное вещество).

СЕДИМЕНТАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ МОНОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ

Кинетика седиментации частиц монодисперсной темы описывается уравнением:

где Q - общая масса дисперсной фазы; Н - первоначальная высота столба суспензии; m - масса частиц, осевших ко времени t.

График седиментации m = f(t) представляет собой прямую линию выходящую из начала координат (рис. 15.3 ). Тангенс угла наклона характеризует скорость накопления осадка

При достижении времени порошок переходит в осадок (m = Q). Так как суспензия монодисперсна (r = const), частицы оседают с одинаковой скоростью. Поэтому граница осветления будет четкой и определить скорость оседания можно по скорости движения этой границы

где h - высота, на которую опустилась граница за время t. Тогда радиус частиц можно рассчитать по формуле

СЕДИМЕНТАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ

Все реальные порошки полидисперсны и поэтому оседают с различными скоростями. Четкой границы осветления суспензии не наблюдается - крупные частиц осаждаются быстрее, мелкие - медленнее. Поэтому кривая седиментации полидисперсной системы m = f(t) имеет вид, представленный на рис. 15.4 .

Тангенсы углов наклона касательных к кривой седиментации определяют скорости седиментации соответствующих фракций частиц.

Зная скорости оседания частиц отдельных фракций, можно рассчитать их радиусы. Так как большинство реальных порошков имеют частицы неправильной формы, по уравнению можно рассчитать только эквивалентный радиус частиц сферической формы, оседающих с такой же скоростью, что и реальные частицы.

Построением интегральной, а затем дифференциальной кривой распределения частиц полидисперсной системы по их радиусам заканчивается седиментационный анализ.

Построение кривой седиментации. Для построения кривой седиментации обычно используются торзионные весы. С их помощью определяют массу частиц, оседающих на чашечку весов, помещенную в стеклянный цилиндр с исследуемой суспензией на расстояние h от поверхности жидкости. Отмечают показания весов с интервалами времени 30 с, а затем их увеличивают до 1 мин, 3 мин, 5 мин по мере того как изменение массы замедляется.