Коллоидная химия: Лабораторный практикум, страница 2

РАБОТА № 1

Определение среднего размера частиц методом седиментации

в гравитационном поле

Цель работы: Определение среднего размера частиц суспензии методом измерения скорости седиментации в гравитационном поле.

Краткое теоретическое введение

Метод состоит в измерении скорости осаждения частиц в жидкой среде. Зависимость скорости оседания сферических частиц в жидкости, обладающей вязкостью h, под действием собственного веса от их радиуса r позволяет определить размеры частиц, распределение частиц по размерам, а также подсчитать их удельную поверхность. В условиях установившегося движения со скоростью v вес частицы в жидкости Р =  равен силе вязкого сопротивления жидкости, определяемого законом Стокса f = 6phrv (где r - плотность вещества частицы, r₀ – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения).

Из условия равенства Р = f получим

              1.1)

Подставив значение скорости v = H/t  в уравнение (1.1), где Н – перемещение частицы (рис. 1.1) за время оседания t , получим

       (1.2)

Обозначив В = ,  запишем окончательно для радиуса частиц r :

r =                     (1.3)

Уравнение (1.2) получено для одной частицы сферической формы. Чтобы уравнение было применимо ко всей совокупности частиц, должно выполняться условие независимости движения каждой частицы. Поэтому используют достаточно разбавленные системы (с концентрацией дисперсной фазы 0,5 - 1 %), которые при необходимости могут быть стабилизированы с помощью поверхностно-активных веществ.

Метод седиментации в поле тяжести применим к дисперсным системам с размерами частиц от 0,1 до 100 мкм. Время оседания частиц с размером 0,1 мкм составляет более суток; для частиц с меньшими размерами могут образовываться седиментационно-устойчивые коллоидные системы вследствие равновесия между нисходящим потоком седиментации и восходящей диффузии, появляющейся вследствие градиента концентрации по высоте. Использование центробежного поля (в центрифугах или ультрацентрифугах), то есть увеличение g в 10³ до 10⁶ раз и более, позволяет использовать метод седиментации для коллоидных систем и даже для растворов высокомолекулярных соединений.

В монодисперсной системе, то есть в системе где все частицы имеют одинаковый размер и массу, все частицы оседают с одинаковой скоростью, и относительный вес осадка q(t) на дне сосуда (или на чашечке динамометра) увеличивается пропорционально времени t , если в начальный момент времени они перемешаны равномерно по всему объёму сосуда. В этом простейшем случае кривая зависимости веса осадка от времени – седиментационная кривая, характеризуется прямолинейным участком ОА и изломом в точке А, соответствующим полному осаждению частиц за время tмах (рис. 1.2). Радиус частиц r находят по формуле (1.3) подстановкой в неё значения tмах.

Реальные суспензии являются полидисперсными, то есть характеризуются некоторым распределением по размерам. Типичная кривая седиментации полидисперсной системы представлена на рис. 1.3. Эта кривая несёт информацию о функции распределения частиц по размерам F(r), которая изображена на рис. 1.4.

Отношение площади заштрихованного участка под кривой (рис. 1.4) к площади под всей кривой (равной 100 %) численно равно DQ₂