ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Ультрацентрифуга и ее применение для дисперсионного анализа из "Курс коллоидной химии" Наблюдение за скоростью седиментации в суспензиях, т. е. в дисперсных системах с достаточно большими частицами, обладающих практически полной кинетической неустойчивостью, позволяет сравнительно легко и удобно определять размер частиц. Применяющиеся при этом методы получили название методов седиментационного анализа. [c.73] Рассмотрим, как оседает в жидкости отдельная частица такой суспензии. [c.73] Согласно уравнению (П1,40) скорость седиментации частицы прямо пропорциональна квадрату радиуса (или диаметра) частицы, обратно пропорциональна вязкости среды и зависит от разности р — Ро так, что при р Ро происходит оседание, а при р Ро (например, суспензия парафина в воде) всплывание частиц — обратная седиментация. [c.73] Уравнение (111,39) справедливо для водных суспензий, имеющих частицы размером от 0,1 до 100 мкм, так как для этих частиц время нарастания скорости оседания до постоянного значения настолько мало, что не оказывает влияния на результаты седиментационного анализа. Например, время достижения постоянной скорости оседания частиц кварца радиусом 50 мкм в воде составляет 3,4-10 с, а для частиц радиусом 1 мкм оно равно всего 1.7-10-6 с. [c.74] К частицам радиусом больше 100 мкм, в обычных условиях оседающим ускоренно, и к частицам радиусом меньше 0,1 мкм, содержащимся в кинетически устойчивых системах, уравнение (111,39) неприложимо. Поэтому обычный седиментационный анализ в этом случае непригоден. [c.74] Рассмотрим теперь седиментацию дисперскых систем, состоящих из множества частиц. При этом примем, что частицы в таких суспензиях оседают совершенно независимо друг от друга. [c.74] По уравнению (П1,43) легко вычислить радиус частиц суспензии по результатам наблюдения за ее оседанием визуально. Скорость седиментации монодисперсной суспензии можно определить, наблюдая за оседанием какой-нибудь одной из ее частиц в микроскоп. [c.74] При отстаивании полидисперсной суспензии в отличие от монодисперсной граница оседающего слоя оказывается размытой, так как частицы, имеющие различные радиусы, проходят за одно и то же время различные пути. Поэтому седиментационный анализ полидисперсной системы сводится к определению скорости накопления осадка. [c.74] По результатам, полученным при обработке кривой седиментации, обычно строят кривую распределения, наглядно показывающую весовое содержание Q в суспензии различных фракций. Для этого строят диаграмму, на оси абсписс которой откладывают значения радиусов частиц г, на оси ординат — значения Q/Ar для каждой фракции. Пример такой диаграммы приведен на рис. П1,5. [c.75] Тогда (ЭДг/Дг = Q и весовое содержание каждой фракции выразится площадью соответствующего прямоугольника. Построив такие прямоугольники для всех фракций и соединив плавной линией средние точки их верхних сторон, получают кривую распределения. Фракция, отвечающая максимуму кривой распределения, называется преимущественной фракцией полидисперсной суспензии, так как очевидно, что частиц, составляющих эту фракцию, в системе больше всего (на рис. П1,5 эта фракция IV с частицами, радиус которых лежит в пределах от Г4 до Г5). [c.75] Остановимся теперь кратко на экспериментальных приемах, используемых при седиментационном анализе полидисперсных систем. [c.76] Другой метод наблюдения за ходом седиментации полидисперсных систем предложен Вигнером в 1918 г. Этот метод основан на измерении гидростатического давления столба суспензии при выделении из нее дисперсной фазы в результате седиментации. Седиментация по этому методу проводится в специальном приборе — седнментометре Вигнера (рис. 111,8). При закрытом кране, соединяющем оба колена прибора, в широкую трубку 1 заливают суспензию, а в узкую трубку 2 вводят дисперсионную среду, затем кран открывают. Вначале уровень жидкости в трубке 2 выше, чем в трубке 1, так как средняя плотность суспензии обычно больше, чем плотность среды. Однако по мере выпадения дисперсной фазы суспензии и накопления осадка на дне трубки 1, плотность суспензии будет постепенно приближаться к плотности среды и разность уровней жидкости h в обоих коленах будет уменьшаться. Зависимость h от времени седиментации можно использовать для построения кривой седиментации. [c.76] В заключение следует отметить ряд условий, ограничивающих применимость седиментационного анализа. Во-первых, основное уравнение седиментационного анализа (111,39) пригодно только для расчета размера сферических частиц. Для частиц, отличающихся по форме от сферических, уравнение (111,39) позволяет определить только так называемый эффективный, или эквивалентный радиус, т. е. радиус воображаемых сферических частиц, обладающих той же плотностью и оседающих с той же скоростью, что и частицы суспензии. Во-вторых, при седимента-циониом анализе с использованием уравнения (111,39) можно получить правильные результаты только в том случае, если частицы не сольватированы. Понятно, что влияние сольватации будет сказываться в тем большей степени, чем меньше размер частиц. Наконец, в-третьих, седиментационный анализ можно применять только тогда, когда частицы оседают раздельно друг от друга (когда концентрация системы не слишком велика) и когда они не образуют агрегатов. [c.77] Как уже указывалось, под действием гравитационного поля оседают только достаточно крупные частицы. Коллоидные частицы под действием силы тяжести не седиментируют или седиментируют чрезвычайно медленно. Так, частицы кварца радиусом 0,1 мкм проходят при оседании путь в 1 см за 8о,2 ч. Однако, заменяя гравитационное поле действием центрифуги с гораздо большим ускорением, в сотни тысяч раз превышающим ускорение свободного падения, можно заставить оседать достаточно быстро и коллоидные частицы. В частности, в центробежном поле с ускорением 10 g та же суспензия кварца должна оседать на 1 см всего за 3 с. [c.77] Использовать ультрацентрифугу для определения размера коллоидных частиц впервые в 1910 г. предложил А. В. Думанский. Шведский ученый Сведберг широко использовал эту идею, он разработал ряд конструкций ультрацентрифуг для определения размера коллоидных частиц и молекул высокомолекулярных веществ, например белков. [c.77] отбрасываются центробежной силой к периферии. В результате этого в кювете появляется ближе к периферии слой концентрированного золя и ближе к оси вращения — слой освет-, лившейся жидкости. По мере центрифугирования первый слой уменьшается, а второй — увеличивается, пока не установится седи-ментационное равновесие или пока все частицы не осядут на дно. Путем фотосъемки через определенные промежутки времени можно проследить за передвижением границы между двумя слоями. Схематически эти снимки показаны на рис. Ill, 10. [c.78] При центрифугировании полидисперсной системы четкой границы, конечно, не образуется. Однако полученные снимки позволяют установить распределение концентраций дисперсной фазы в кювете. [c.78] При исследовании бесцветных и прозрачных золей перемещение границы или распределение концентраций в кювете приходится определять не с помощью обычных фотоснимков, а путем наблюдения за коэффициентом преломления золя в различных участках кюветы. [c.78] По данным, полученным тем или иным способом, можно вычислить скорость седиментации или найти седиментационное равновесие. На основании этого, в свою очередь, можно рассчитать молекулярный вес или размер частиц, подвергающихся седиментации. [c.79] Пользуясь уравнением (П1,47), можно рассчитать численный или молекулярный вес по перемещению в поле ультрацентрифуги сферических частиц на расстояние Х2 — Х за время т. Понятно, что для этого необходимо также знать величины т), р, ро и со. [c.79] Вернуться к основной статье