3.2. Кинетическая устойчивость

Частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в газах, истинных растворах или коллоидных системах (в золях, суспензиях, эмульсиях), испытывают влияние двух противоположных процессов – осаждения под действием силы тяжести (седиментации) и диффузии. В результате этого через некоторый промежуток времени в системе устанавливается седиментационно-диффузионное равновесие, которое выражается в том, что концентрация частиц в объеме системы падает в направлении от нижних слоев к верхним, если дисперсная фаза более плотная, чем дисперсионная среда, и, наоборот, от верхних слоев к нижним, если дисперсная фаза менее плотная. Предполагается, что это распределение подчиняется закону распределения Больцмана:

, (2.3.1.)

где n₀ , n_h - концентрация частиц на нулевом уровне и на высоте h от него, U_h - потенциальная энергия частиц на высоте h.

Потенциальную энергию частиц можно выразить как

, (2.3.2)

где m – масса частицы; r – ее радиус; Dr=r-r₀, r, r₀ - плотность вещества дисперсной фазы и дисперсионной среды; g- ускорение силы тяжести.

Подставляя (2.3.2) в уравнение (2.3.1), получаем

, (2.3.3)

или

. (2.3.4)

Уравнение (2.3.4) является математической формулировкой гипсометрического закона Лапласа. Для количественной характеристики кинетической устойчивости принята высота h_1/2, на которой концентрация частиц изменится ровно в два раза, т.е. n_1/2= n₀/2.

Проверка применимости уравнения (2.3.4) к коллоидным системам была проведена Перреном, который экспериментально определял h_1/2 и при известных значениях размеров частиц и их плотности рассчитывал число Авогадро и наблюдал хорошее совпадение с теоретическим значением.

Из уравнения (2.3.4) следует, что основными параметрами, определяющими кинетическую устойчивость дисперсных систем, является плотность дисперсной фазы и размер частиц. Чем больше Dr, тем менее кинетически устойчива система и тем более она будет склонна к расслоению на две макрофазы. Увеличение размера частиц или капель эмульсии также способствует расслоению.