Лекция на тему «Молекулярно-кинетические и оптические свойства дисперсных систем» охватывает основные аспекты, такие как броуновское движение, диффузия, осмотическое давление и седиментационный анализ. Также рассматриваются оптические методы исследования, включая ультрамикроскопию и нефелометрию, которые позволяют анализировать распределение и размеры частиц в дисперсных системах. Лекция поддерживается ссылками на актуальную литературу, что подтверждает значимость и научную базу представленного материала.

1. Лектор – к. хим. н., доц.
Томаровская Татьяна Александровна
Национальный фармацевтический университет
Кафедра физической и коллоидной химии
Тема лекции:
«МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ
И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ»

2. План лекции:
1.Молекулярно-кинетические свойства дисперсных
систем.
1.1.Броуновское движение.
1.2.Диффузия.
1.3.Осмотическое давление.
1.4.Седиментационная устойчивость и седиментационный
анализ дисперсных систем.
2.Оптические свойства дисперсных систем. Оптические
методы исследования дисперсных систем.
2.1.Ультрамикроскопия.
2.2.Нефелометрия.
2.3.Турбидиметрия.
2.4.Электронная микроскопия.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

3. ЛИТЕРАТУРА:
1. Физическая и коллоидная химия / В. И. Кабачный,
Л. К. Осипенко, Л. Д. Грицан и др. – 2-е изд., перераб. и
доп. – Х. : Изд-во НФаУ, 2010. – 432 с.
2. Сборник задач по физической и коллоидной химии /
В. И. Кабачный, Л. К. Осипенко, Л. Д. Грицан и др. – Х. :
Изд-во НФАУ, 2000. – 224 с.
3. Физическая и коллоидная химия. Сборник заданий для
самостоятельной работы: Учебное пособие для студентов
заочной (дистанционной) формы обучения
фармацевтических вузов и факультетов III-IV уровней
аккредитации / В. И. Кабачный, Л. К. Осипенко, Л. Д.
Грицан и др. ; под ред. В. И. Кабачного. – Харьков : Изд-во
НФаУ, 2003. – 136 с.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

4. Молекулярно-кинетические свойства
дисперсных систем
Обусловлены самопроизвольным
движением частиц дисперсной фазы. К ним
относятся:
броуновское движение;
диффузия;
осмотическое давление;
седиментация.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

5. БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

6. Броуновское движение
– это тепловое
движение частиц
дисперсной фазы в
коллоидных и
микрогетерогенных
системах.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

7. Для больших частиц импульсы,
обусловленные столкновениями молекул
растворителя, взаимно компенсируются.
Для частиц незначительных размеров за
определённое время число столкновений
молекул или их интенсивность с одной
стороны будут больше, чем с другой, и
частица начнёт двигаться в направлении
равнодействующей всех сил.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

8. Вследствие большого числа столкновений частица
очень часто изменяет направление движения, до 1020
раз в секунду. Поэтому траектория её движения
выглядит в виде ломаной линии неопределённой
конфигурации. Проекцию движения частицы на
плоскости можно найти, наблюдая броуновское
движение одной частицы в микроскоп и регистрируя
её положение в поле зрения через одинаковые
промежутки времени.
А
Δ
В
x
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

9. Количественной характеристикой броуновского
движения является средний сдвиг (смещение)
частицы за время t.
Смещение одинаково возможно в любом
направлении, поэтому его рассчитывают как
среднеквадратичную величину:
где – отдельные проекции смещения
частицы на ось х, n – количество таких проекций,
взятых для расчёта.
...,, 321 ∆∆∆
,
22
3
2
2
2
1
n
n∆+⋅⋅⋅+∆+∆+∆
=∆
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

10. Величина среднего сдвига частицы может
быть точно расчитана на основании статистических
законов. Для сферической частицы с радиусом r
величина среднего сдвига прямо пропорциональна
абсолютной температуре Т, времени наблюдения
t и обратно пропорциональна коэффициенту трения
B = 6πηr:
B
bTt
=
2
Δ
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

11. r
tТ
b
6
2
πη
=∆rB πη6=
kNRb A 2/2 ==
rN
tТR
A 6
22
πη
=∆
r
tkТ
3πη
=∆
Для коэффициента пропорциональности b теория
Ейнштейна даёт следующее выражение:
B – коэффициент трения, T – абсолютная
температура, t – время наблюдения, η – вязкость
среды, k – постоянная Больцмана.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

12. Таким образом, Δ уменьшается при
увеличении r. Частицы с размером ∼5⋅10–6
м
только колебаются возле какого-нибудь
центра, а при большых размерах частиц
броуновское движение практически
прекращается.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

13. Уравнение Эйнштейна–Смолуховского
содержит величины, которые можно
определить экспериментально. Результаты,
полученные для частиц разной природы и
размеров, показали очень близкое соответствие
измереных и расчитанных значений и стали
подтверждением молекулярно - кинетической
теории – доказательством реальности
существования молекул и статистического
характера второго закона термодинамики.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

14. ДИФФУЗИЯ
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

15. Диффузия – это
самопроизвольный процесс
выравнивания концентрации
частиц в объёме системы под
влиянием теплового движения.
где D – коэффициент диффузии.
[ ] -12
см=D
D
kT
r
=
6πη ∆
2
2= Dt
Dt2Δ =
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

16. ОСМОТИЧЕСКОЕ
ДАВЛЕНИЕ
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

17. Особенности осмотического давления лиозолей
– низкое значение и непостоянство (по
сравнению с истинными растворами).
Низкое значение обусловлено низкой
частичной концентрацией растворов.
Непостоянство связано со спонтанным
изменением размеров частиц вследствие их
агрегации или дезагрегации.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

18. Расчёт осмотического давления
где mобщ – масса дисперсной фазы, m0 – масса
частицы, V – объём системы, ν – частичная
концентрация, k – постоянная Больцмана.
kT
N
RT
RT
NV
mm
AA
общ
ννπ ==
⋅
= 0
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

19. Для двух ультрамикрогетерогенных
дисперсных систем
π ν1 1= kT π ν2 2= kT
3
1
3
2
3
2
3
1
2
1
2
1
34
34
r
r
)r//(с
)r//(с
=
ρπ
ρπ
=
ν
ν
=
π
π
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

20. СЕДИМЕНТАЦИЯ
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

21. Седиментация – процесс оседания или
всплывания частиц дисперсной фазы под
действием силы тяжести в жидкой или
газообразной дисперсионной среде.
Оседанию частиц всегда противодействует
броуновское движение, которое стремится
равномерно распределить частицы по всему
объёму системы.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

22. Седиментационно-диффузионное равновесие
Устанавливается в результате броуновского движения, с
одной стороны, и действия силы тяжести – с другой.
Характеризуется равновесным распределением частиц
по высоте, которое описывается уравнением Лапласа–
Перрена:
где ν1 и ν2 – частичные концентрации на высоте h1 и h2;
m – масса частицы; Т – температура; ρ и ρ0 – плотность
частиц и среды соответственно; k – постоянная Больцмана;
g –ускорение силы тяжести.
,
kT
))(hh(mg
ln
ρ
ρ−ρ−
=
ν
ν 012
2
1
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

23. Седиментационный анализ – это анализ
полидисперсности системы.
На практике дисперсную систему
характеризуют распределением частиц по
размерам и фракциям (содержание
дисперсной фазы в заданных интервалах
радиусов частиц).
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

24. Ультрамикрогетерогенные системы
принципиально не отличаются от
молекулярных растворов. Их свойства
описываются общими закономерностями, но
выражены слабее из-за небольших значений
частичной концентрации.
Свойства микрогетерогенных систем
значительно отличаются от свойств
молекулярных растворов: частицы этих
систем не способны к хаотичному тепловому
движению, в них не происходит диффузия и
осмос.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

25. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ.
ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

26. Оптические свойства дисперсных систем
обусловлены их гетерогенностью.
Если пучок света падает на поверхность частицы,
линейные размеры которой больше, чем длина волны
падающего света, наблюдается отражение света.
Часть света может проникать внутрь частицы,
испытывать преломление, внутреннее отражение и
поглощение.
Если частицы имеют размери менее половины
длины волны падающего света, свет рассеивается по
всем направлениям, огибая частицы, встречающиеся
на его пути (явление дифракции).
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

27. Явление рассеивания света при прохождении
светового пучка через жидкую среду, в которой
зависли мельчайшие частицы, впервые наблюдал
Тиндаль в виде светящегося конуса (эффект
Тиндаля).
Он также наблюдал характерное голубое
свечение коллоидных растворов на тёмном фоне
при боковом освещении – явление опалесценции.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

28. Теория светорассеяния была разработана английским
физиком Релеем (1871 г.). Для систем с
непроводящими частицами сферической формы, радиус
которых меньше длины волны падающего света Релей
вывел следующее уравнение:
где Iр – интенсивность рассеянного света, I0 –
интенсивность падающего света, n1 и n0 – показатели
преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды
соответственно, V – объём частицы, ν – частичная
концентрация, λ – длина световой волны.
2
2
0
2
1
2
0
2
1
4
2
3
0
2
24 







+
−
λ
ν
π=
nn
nnv
IIp
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

29. Из уравнения Релея можно сделать следующие выводы:
Интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна:
 частичной концентрации. Это используют для определения
концентрации дисперсной системы в оптическом методе –
нефелометрии.
квадрату объёма частицы; используют для определения размеров
частиц дисперсной фазы в оптическом методе – турбидиметрии.
разнице квадратов показателей преломления дисперсной фазы и
дисперсионной среды – светорассеяние будет тем больше, чем
больше эта разница.
Величина Ip
обратно пропорциональна λ4
. Следовательно,
рассеивание коротких волн (УФ, синих) происходит более
интенсивно и это позволяет объяснить окраску дисперсных систем.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

30. Бесцветные золи (мастики,
сульфуру и др.), при боковом освещении будут
окрашены в синий цвет, так как больше
рассеиваются короткие волны – голубого и синего
света. Эти же золи в прямом свете имеют жёлто-
красный или красный цвет, что связано с
частичной потерей вследствие рассеивания
фиолетовой части спектра. Голубой цвет неба и
красный цвет зари объясняются теми же самыми
явлениями.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

31. Уравнение Релея лежит в основе оптических методов
определения размеров частиц и концентрации дисперсной
фазы ультрамикрогетерогенных систем:
ультрамикроскопии,
 нефелометрии,
турбидиметрии,
электронной микроскопии.
Схема ультрамикроскопа:
1 – кювета, 2 – электрическая дуга,
3 – линзы, 4 – щель, 5 – микроскоп.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

32. Ультрамикроскопия – исследуемая
дисперсная система освещается сбоку, и
наблюдают рассеянный свет.
Частицы кажутся светящимися точками на
темном фоне, и разрешающая способность
микроскопа резко повышается, что позволяет
наблюдать частицы с диаметром до 2-3 нм.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

33. С помощью ультрамикроскопа нельзя
непосредственно определить размер и форму частиц,
так как наблюдают не частицы, а рассеянный ними
свет.
Средний размер частиц можно найти следующим
образом. С помощью микрометрической окулярной
шкалы ультрамикроскопа выделяют определённый
объём коллоидного раствора и подсчитывают число
коллоидных частиц, содержащихся в нём.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

34. с – массовая концентрация золя; V – выделенный оптический
объём; ν – число частиц в объёме V; ρ – плотность частиц
дисперсной фазы.
n = ν/V; n – число частиц в единице объёма,
m = c/n = cV/ν ; m – масса отдельной частицы,
V0
= m/ρ = cV/νρ; V0 – объём отдельной частицы.
Если частица имеет форму сферы, то V0
= π r3
.
Приравнивая объёмы, имеем π r3
= сV/νρ,
откуда
Для частиц, имеющих форму куба:
г де l – ребро куба.
.
4
3
3
πνρ
cV
r =
,3
νρ
cV
l =
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

35. Нефелометрия основана на измерении интенсивности
света, рассеянного дисперсной системой.
Уравнению Релея можна придать форму:
где K – константа, которая включает параметры,
считающиеся постоянными при измерениях, с =ν⋅V –
объёмная концентрация дисперсной фазы.
Для двух золей с одинаковыми чаcтицами
отношение интенсивностей рассеянного света равно
отношению концентраций золей.
При одинаковых концентрациях отношение
интенсивностей равно отношению объёмов частиц.
,00
2
cVIKIVKIp
⋅=⋅= ν
I
I
V
V
p
p
,
,
1
2
1
2
=
I
I
c
c
p
p
,
,
1
2
1
2
=
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

36. Принимая один из золей за стандартный,
можно определить концентрацию исследуемого
золя, или размер его частиц.
Измерение проводят с помощью
нефелометров.
Интенсивности света, рассеяного стандартным
и исследуемым растворами, сравнивают,
поднимая или опуская кюветы с золями.
Отношение высот двух кювет обратно
пропорционально отношению концентраций
золей, или объёмов их частиц.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

37. Турбидиметрия – основана на измерении интенсивности
света, пройденого через рассеивающую среду.
Рассеянный свет можно считать фиктивно погллощённым,
тогда рассеивание света будет подчиняться закону Бугера-
Ламберта-Бера:
где I0 – интенсивность падающего света, Iп – интенсивность
света, прошедшего через слой толщиной l, D – оптическая
плотность, τ – мутность системы.
Мутность τ = Ip/I0, а отсюда и оптическая плотность, согласно
уравнению Релея, пропорциональны концентрации и квадрату
объёма частицы.
Это позволяет определить размеры частиц и их концентрацию
по оптической плотности методом сравнения со стандартными
системами, пользуясь фотоэлектроколориметром.
lD
I
I
3,2ln
п
0
τ==
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

38. Световая и электронная
микроскопия
Позволяют непосредственно
наблюдать частицы и измерять их
размери. Нижняя граница световой
микроскопии ∼ 100 нм,
электронной микроскопии ∼ 2-5
нм.
– наиболее информативные
методы определения дисперсности
и формы частиц.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

39. Электронная микроскопия
В микроскопах особенной конструкции вместо
световых лучей используют пучок быстрых
электронов, который имеет одновременно и
квантовую и волновую природу.
Длина волны в этом случае составляет
10−10
–10−11
м, то есть соразмерна с размером атома.
Это приводит к высокой разделительной
способности и даёт возможность непосредственно
видеть и фотографировать коллоидные частицы.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

40. Спасибо за внимание!
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ