Осмотическое давление

Еще одним молекулярно-кинетическим свойством является осмотическое давление.

Следовательно осмотическое давление зависит только от числа частиц в единице объема раствора и не зависит от природы и размера частиц. При одинаковой массовой концентрации частичная концентрация коллоидных растворов всегда меньше, чем у истинных, поэтому и осмотическое давление у них должно быть небольшим. 

Для двух коллоидных растворов с одинаковой массовой концентрацией, исходя из уравнения (62) можно написать: π₁/ π₂ = ν₁/ ν₂. Если принять, что коллоидные частицы имеют форму шара, то масса одной частицы равна: m = ⁴/₃πr³ρ, где r – радиус частицы, а ρ – плотность вещества дисперсной фазы.

Осмотическое давление обратно пропорционально кубу радиуса частиц дисперсной фазы. Этим объясняется не только малое осмотическое давление в коллоидных растворах, но и его непостоянство. В коллоидных растворах очень легко идут процессы агрегации/дезагрегации частиц, их размер увеличивается/уменьшается, соответственно изменяется и осмотическое давление. Примеры расчетов см. пункт 2.2.1. 

Кинетическая устойчивость коллоидных систем и седиментационное равновесие

Коллоидные частицы в растворе подвергаются действию сил тяжести. В грубодисперсных системах, где размеры частиц велики и они малоподвижны (практически нет броуновского движения), силы тяжести приобретают большое значение, приводя к оседанию (редко к всплыванию) частиц ДФ. Это явление называется седиментация. Примером может служить расслаивание суспензии крахмала в холодной воде.  Высокодисперсные системы (газы или истинные растворы) обладают высокой кинетической устойчивостью, т.к. их частицы маленькие и довольно легкие и подвержены броуновскому движению. В таких системах преобладают процессы диффузии. Коллоидные системы по степени дисперсности занимают промежуточное положение. Действие силы тяжести для коллоидных частиц невелико и уравновешивается броуновским движением и диффузией. Такое состояние называется седиментационным равновесием. Поэтому коллоидные частицы не оседают под действием силы тяжести и могут как угодно долго находится во взвешенном состоянии.

Седиментационное равновесие характеризуется постоянным уменьшением концентрации частиц в направлении от нижних слоев к верхним. Это убывание концентрации подчиняется закону Лапласа: при увеличении столба золя в арифметической прогрессии концентрация частиц убывает в геометрической прогрессии.

Таким образом, седиментационное равновесие это равномерное распределение частиц по высоте в поле земного тяготения.

Из этого уравнения следует, что с увеличением размеров частиц возрастает и скорость оседания, а с увеличением вязкости наоборот, скорость оседания снижается. Это используют в кулинарной практике, увеличивая вязкость среды и уменьшая размеры частиц тщательным измельчением (например, при изготовлении протертых супов). 

В некоторых случаях необходимо ускорить процесс седиментации. Для этого применяют центрифугирование, при котором на частицы действуют центробежные силы, в сотни тысяч раз превышающие силу земного притяжения. Впервые центрифугирование для ускорение седиментации применил А.В. Думанский. Впоследствии Т. Сведберг сконструировал ультрацентрифугу с огромным числом оборотов (десятки тысяч об/ мин). Использование ультрацентрифуг позволило определить размеры, форму и степень ассоциации и полидисперсности частиц, а также молекулярные массы некоторых полимеров.

Изучение полидисперсности коллоидных систем для установления количественного распределения частиц по размерам (т.н. кривых распределения) – седиментационный анализ – производится при помощи измерения возрастания веса осевших частиц w со временем. По результатам такого исследования строят кривые седиментации (рис. 9). Проводя анализ кривой седиментации, можно рассчитать кривую распределения для данной системы, которая характеризует относительное содержание в системе частиц разного размера (рис. 10). Обычно кривые распределения содержат один максимум, который соответствует r_в – наиболее вероятному радиусу частиц дисперсной фазы.