Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (другой скан) (1157043), страница 72
Текст из файла (страница 72)
устойчивость аэрозолей (с заметной концентрацией дисперсной фазы) имеет кинетический характер. Другая особенность аэрозолей связана с тем, что размер частиц дисперсной фазы соизмерим с длиной свободного пробега молекул в газе Л = (пг„МАс), где г„— радиус молекул, с — концентрация газа. Закономерности движения аэрозольных частиц определяются — 2 так называемым числам Кнудсена Кп = Л„/2к При Кп < 10 после соударения молекулы с поверхностью частицы она многократно сталкивается вблизи поверхности частицы с другими молекулами, передавая им часть полученного от частицы импульса, т.
е, справедливы законы движения частицы в сплошной среде, в частности закон Стокса (1У.4): Г оп)г Длл частиц малого размера, когда Кп > 10, применимы законы 2 молекулярно-кинетической теории, в соответствии с которой сопро- 340 тивление движению частиц пропорционально их сечению и скорость' ". их движения г под действием силы Г равна: Г Л, Г У 2тм Рм 2пг'лгмгмХ«с где лг„— масса молекул газа; 7„= (8Е Т/пт„) '" — средняя скорость их движения; Л,= (п22Х»с) — длина свободного пробега частиц. Сопротивление движению частиц в этих условиях возникает вследствие того, что для движущейся частицы средняя скорость при ударе молекул о ее переднюю поверхность оказывается выше скорости удара о заднюю поверхность.
Для большинства наиболее важных аэрозольных систем число Кнудсена имеет промежуточное значение: 10 < Кп < 10 . Для опи- -2 г сания поведения таких систем существуют лишь эмпирические зависимости, как, например, формула, предложенная Кеннингемом: » = (1+1,26Кп) = ~1+0,63 — "~. Г Г / Л„1 бгп)г бат)2 ~ При г » Лм это выражение переходит в закон Стокса, а при г« Л„ оно дает квадратичную зависимость силы трения и, соответственно, скорости от радиуса частиц: г- Г/82. Многие специфические свойства аэрозолей связаны с особенностями дисперсионной среды — воздуха, его низкой вязкостью и малой электрической проводимостью. Лиофебность аэрозолей и высокие коэффициенты диффузии в газовой фазе обусловливают большую скорость процессов изотермической перегонки и коагуляции, следствием которых является нарушение агрегативной устойчивости системы.
Малая вязкость дисперсион ной среды приводит к тому, что частицы быстро оседают, и аэрозольная система разрушается при значительно меньших размерах частиц или их агрегатов, чем лиозоли. В результате концентрация и дисперсность исходно высокодисперсных аэрозолей достаточно быстро падают. В реальных аэрозолях концентрация дисперсной фазы, как правило, составляет не более 10 — 10 частиц~ем, что значительно ниже концентрации лиозолей, 8 б ° Э достигающей 10 частиц/см .
Размер частиц в большинстве аэрозо- 5 3 лей оказывается в интервале 10 — 10 см: более крупные частицы — 5 — 3 быстро оседают, а мелкие исчезают вследствие коагуляции. В отличие от залей, в растворах электролитов заряд на частицах аэрозолей есть величина случайная, определяемая случайными столкновениями частиц с ионами в газах. При заряжении частицы, которую можно рассматривать как сферический конденсатор с емко- 341 стью С, пропорциональной радиусу частицы г, работа заражения рав- на: )4 — Ч ч 2С 8пеа,г (е, = 8,85 10 "Ф/м — электрическая постоянная в единицах СИ).
В силу того, что диэлектрическая проницаемость воздуха (е ~ 1) много ниже, чем воды (а ~ 80), для заряжения частиц до одинакового заряда в аэрозолях требуется совершение большей работы, чем для гидрозолей. Вследствие этого средний заряд частиц аэрозолей оказывается ниже, чем в гидрозолях, и сильнее флуктуирует от частицы к частице. В соответствии с теорией флуктуаций величина среднего заряда определяется соотношением )гТ '7 = 4паопгТ . 1 Для'частиц радиусом г= 10 м при Т~ 300 К и )гТ~ 4,2. 10 и Дж имеем 4 7 10-и(кл)' ( ')"' 7 10-" Кл Напомним, что заряд электрона е = 1,6. 10 "Кл, т. е.
в среднем заряд частицы соответствует всего лишь нескольким (около четырех) элементарным зарядам. Наблюдая за частицами масла в опытах по электрофорезу капель масляного тумана (на фоне их броуновского движения), Милликен показал, что заряд частиц всегда оказывается кратным одной и той же величине 1,6 10 ' Кл.
Это позволило доказать дискретный характер электрического заряда и определить величину элементарного заряда. Наличие зарядов на поверхности аэрозольных частиц обусловливает возникновение значительных потенциалов при оседании аэрозолей с одноименно заряженными частицами, которое приводит к появлению грозовых разрядов в атмосфере и помех в работе радиоустройств. Оседание аэрозольных частиц, например капель тумана или дождя, радиусом г, средним зарядом д и концентрацией и создает электрический ток и вызывает появление электрического поля напряженностью Е(потенциала седиментации). В соответствии с рассмотренным ранее уравнением (Ч.29) напряженность поля, возникающего при седиментации в среде с удельной электрической проводимостью Хо, определяется как 342 Е = 2аюР0и'% пи8(4/г) (Ч1Н 1) 3Л0п+8па0ир0и бпла.,3)+иг(д/г)' где потенциал поверхности ~р„равный в случае аэрозоля электроки- нетическому потенциалу ~, связан с зарядом частицы соотношением р, =~= А.Н.
Фрумкин показал, что благодаря большому дипольному моменту молекул воды электрический потенциал на поверхности капелек водяного тумана может достигать 250 мВ. Согласно выражению (Ч)П.1), при оседании частиц с г 10 м и т 5 1О г при и = 10'~ частиц/м (что характерно для кучевых облаков), и 1,7 10 Па с, '3 — 5 -14 Хе ~ 4 . 10 См/м могут возникать электрические поля, напряженность Е которых близка к 1О В/м. В нестационарных условиях (при 5 конвекции) значения Е могут быть еще выше и достигать значений, при которых происходит пробой воздуха электрическим разрядом, т. е.
возникает молния. Подобно всем дисперсным системам, аэрозоли могут образовываться как при диспергировании макрофаз, так и при конденсации (см. гл. Ч1). Аэрозоли, образующиеся в процессах диспергирования, как правило, имеют невысокую дисперсность и обладают большей полидисперсностью, чем аэрозоли, образующиеся в процессах конденсации.
Диспергационные методы образования аэрозолей лежат в основе получения и использования многих важных материалов и препаратов. Это, например, получение порошков при помоле твердых материалов, разбрызгивание форсунками жидкого топлива (для интенсификации процесса горения), ядохимикатов (для защиты растений от вредителей), лаков и красок (при нанесении защитных покрытий) и т. и.
В природе процессы диспергирования ведут к образованию пыли. Конденсационное образование аэрозолей является основным природным и техническим процессом образования высокодисперсных аэрозолей. Так, возникновение кучевых облаков, содержащих капли воды, или перистых, состоящих из кристалликов льда, происходит в, основном, в результате их гетерогенного зарождения на пылинках и микрокристалликах соли.
Такие микрокристаллики появляются при высыхании, мельчайших морских брызг и поднимаются на большую высоту конвекционными потоками воздуха. На процесс конденсационного образования аэрозолей существенное влияние оказывает электрический заряд. Возникновение за- 343 ряда на частицах аэрозоля, связанное с затратой работы заряжения, может привести к значительному снихсению поверхностного натяжения на границе частица — среда, что особенно существенно для зародышевых частиц (см.
гл. У1). Снижение поверхностного натяжения частицы радиусом б несущей заряд с), можно определить, проинтегрировав уравнение Липпмана (П1.16). с)о — =р с(Фа где р, = —, — поверхностная плотность заряда; «ре — потенциал ка4иг' пли. В результате интегрирования получаем Д су, — о = 32и'и'еа т. е. понижение значения сг на границе капли с паром при ее заряжении пропорционально квадрату заряда. Зависимость равновесного давления пара от размера аэрозольной частицы описывается уравнением Томсона (Кельвина), которое для частиц, несущих заряд д, принимает вид: )а(г)=р, ех Этому выражению соответствует кривая с максимумом (рис.
У(П-1); так, при о и 70 мДж/м' и заряде 7, равном заряду электрона, положение максимума отвечает частицам радиусом 1 — 2 нм. При гомогенном образовании новой фазы (см. гл. ЪЧ) для возникновения устойчивого зародыша необходима флуктуация, работа которой определяется величиной пересыщения маточной среды. При наличии зарядов, например, свободных ионов в атмосфере пара, давление которого больше давления ри, отвечающего максимуму кривой р (г), обраРис. УП1-1.
Зависимость равновесного давления пара р от зование зародышей радиусом г не трералиуса таряженныл аа иуса таряиеннмл аароаоль- бует флУктуации; капли жидкой фазы нмл настин возникают в результате конденсации на рс О а 344 ионах, как ядрах конденсации, и растут самопроизвольно во всей области размеровдог-+ ес.
Прир = р' < р возникаютзародыши капель радиусом гь для дальнейшего их роста нужна флуктуация, в результате которой они вырастают до размеров гт и далее увеличиваются самопроизвольно. Работа флуктуации в этом случае значительно меньше, чем при гомогенном образовании незаряженных зародышей. Даже при р = ро, т. е. в отсугствие пересыщения в паре, возникают капельки радиусом го. Способность электрических зарядов облегчать возникновение зародышей новой фазы (снижать работу их образования) лежит в основе работы таких приборов, как камера Вильсона и пузырьковая камера. В камере Вильсона интенсивная конденсация пара вызывается ионами, которые создают пролетающие частицы на своем пути.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
