Диффузия в коллоидных системах

Диффузией называют процесс самопроизвольного выравнивания концентраций в системе, приводящий к установлению одинакового химического потенциала каждого компонента во всех элементах объема системы.

Связь потока диффузии J с градиентом концентрации (он пропорционален градиенту химического потенциала) устанавливает первый закон Фика^(*)

(3.3)

или

(3.4)

Диффузионный поток J численно равен количеству вещества n (числу моль), перенесенному диффузией за единицу времени t через единицу площади S сечения, перпендикулярного к направлению диффузии x.

Знак «минус» в уравнениях (3.3) и (3.4) поставлен потому, что поток по определению – величина положительная, а градиент концентрации отрицателен (J направлен в сторону уменьшения концентрации, т.е. dC < 0 при dx > 0).

Коэффициент пропорциональности D называют коэффициентом диффузии. Формально его физический смысл следует из уравнения (3.4).

D равен количеству вещества, перенесённого диффузией через 1 м² поверхности за 1 с при единичном градиенте концентрации – скорость, с которой система выравнивает единичную разность концентрации.

Величина D является, таким образом, мерой интенсивности диффузии.

Измеряется D в м²/с или см²/с, порядок величины D для газов ~ 0.1 - 1 см²/с, для жидкостей 10^-5 – 10^-6см²/с, для коллоидных систем 10^-7–10^-10 см²/с (в зависимости от размера частиц и свойств среды).

Одновременно с диффузионным переносом растворённого вещества, неравномерно распределённого в среде (имеющего градиент концентрации), происходит самодиффузия – случайное перемещение частиц самой среды, химический состав которой при этом не изменяется. Данный процесс наблюдается при отсутствии градиента концентрации. Эффект самодиффузии может приводить к сращиванию двух пришлифованных образцов одного и того же вещества, спеканию порошков при пропускании через них электрического тока, к растягиванию тел под действием подвешенного к ним груза (диффузионная ползучесть материала).

В случае дисперсных систем движущей силой диффузии является броуновское движение, следовательно, должна быть связь между коэффициентом диффузии и средним квадратичным сдвигом (количественная характеристика броуновского движения). Эту зависимость установил Эйнштейн:

= 2×D×t (3.5)

Отсюда следует и выражение для коэффициента диффузии, вытекающее из молекулярно – кинетической теории броуновского движения:

(3.6)

Основанные на общих положениях молекулярно-кинетической теории, уравнения (3.5) и (3.6) могут быть использованы для расчётов диффузии любых частиц: молекул газа и растворенных веществ, коллоидных частиц. Так, время прохождения фронтом диффундирующего вещества пути (соответствующего ) согласно (3.6) определяется как:

Для коллоидных частиц, характеризующихся значением D = 5×10^-9 cм²/с, время прохождения фронтом частиц растояния 1 см составит около трех лет, тогда как для молекул - несколько часов.

Таким образом, для коллоидных систем характерна весьма медленная, но все же измеримая диффузия, позволяющая произвести определение размеров диффундирующих частиц.