Седиментация в дисперсных системах.

Седиментацией (от лат. sedimentum – осадок) называют процесс оседания частиц дисперсной фазы в жидкой или газообразной среде под действием силы тяжести.

Всплывание частиц (например, капель в эмульсиях) носит название обратной седиментации.

Скорость оседания частиц подчиняется закону Стокса:

и - плотности частиц и среды;

- вязкость среды;

- радиус;

- ускорение силы тяжести.

Если разность имеет знак минус, частицы легче среды и всплывают.

Измерив скорость оседания можно вычислить радиус частиц (седиментационный анализ):

,

где

Способность к седиментации часто выражают через константу седиментации :

где – скорость оседания;

- ускорение свободного падения.

Единица измерения - сведберг (1Сб = 10^-13с) или секунда.

Величина обратная константе седиментации является мерой кинетической устойчивости системы:

Оседают сначала более крупные частицы, затем – мельче, при этом частицы укладываются слоями.

Оседанию препятствует броуновское движение и диффузия.

Установившееся состояние называют седиментационно-диффузионным равновесием.

Для проведения седиментационного анализа кинетически устойчивых систем (золей, растворов ВМС) с целью определения размеров и массы их частиц недостаточно силы земного тяготения.

Русский ученый А.В. Думанский (1912) предложил подвергать коллоидные системы центрифугированию.

Сведберг (1923г.) разработал специальные центрифуги с огромным числом оборотов, названные ультрацентрифугами.

Современные ультрацентрифуги дают возможность получить центробежную силу, превышающую ускорение силы тяжести в 10⁵ раз.

Современная ультрацентрифуга – сложный аппарат, центральная часть которого ротор (с частотой вращения 20-60000 об/мин и выше), с тончайшей регулировкой температуры и оптической системой контроля за процессом осаждения.

Скорость седиментации частиц в ультрацентрифуге рассчитывают по уравнению Стокса:

заменяя в нем на :

где – угловая скорость вращения ротора;

- расстояние от частицы до оси вращения.

Ультрацентрифуги используются для изучения коллоидных систем: определяют размеры, формы частиц, а также препаративного разделения и выделения фракций с различными свойствами (в том числе вирусов, белков, нуклеиновых кислот).