Седиментационный анализ

Седиментацио́нный ана́лиз — совокупность методов определения размеров частиц в дисперсных системах и молекулярной массы макромолекул в растворах полимеров по скорости седиментации в условиях седиментационно-диффузного равновесия.

Седиментационное равновесиеПравить

На сферические дисперсные частицы действует сила тяжести, пропорциональная кажущейся (с учётом закона Архимеда) массе:

 

где   — ускорение свободного падения,   — разность плотностей частицы и среды.

Под действием силы   частицы начинают ускоренно двигаться, однако при этом на них действует сила сопротивления среды  , пропорциональная их скорости  , радиусу   и вязкости среды   (закон Стокса):

 

При возрастании скорости частицы наступает момент, когда сила сопротивления среды   уравновешивает силу тяжести  , действующую на частицу и после этого момента частица движется с постоянной скоростью седиментации  :

 

где   — объём сферической частицы радиуса  .

При осаждении частиц возникает градиент их концентрации, направленный по направлению вектора ускорения, этот градиент приводит к диффузии частиц в направлении их меньшей концентрации, то есть в направлении, обратном направлению седиментации; при этом спустя некоторое время устанавливается динамическое равновесие, когда седиментационный и диффузионный потоки частиц взаимно уравновешиваются — наступает седиментационно-диффузное равновесие, концентрация частиц при таком равновесии описывается барометрической формулой:

 
где   — концентрация частиц в зависимости от высоты (координаты вдоль которой направлен вектор ускорения), 1/м3;
  — концентрация частиц на высоте (координате)  , 1/м3;
  — модуль вектора ускорения, м/с2;
  — объём частицы, м3;
  — текущая высота (координата), м;
  — разность плотностей частиц и среды, кг/м3;
  — постоянная Больцмана, Дж/К;
  — абсолютная температура, К.

Методы седиментационного анализаПравить

Обычно седиментация в гравитационном поле применяется для грубодисперсных систем (суспензий, эмульсий), размер частиц которых превышает 1 мкм. Один из традиционных приборов для этой цели — торсионные весы.

Седиментация в центробежном поле используется для изучения коллоидных систем и растворов полимеров; центробежные ускорения достигают сотен тысяч   и реализуются в ультрацентрифугах с частотой вращения ротора до нескольких десятков тысяч об/мин.

Отношение скорости седиментации к центробежному ускорению (константа седиментации) — важная молекулярно-кинетическая характеристика системы. Она зависит от массы и формы частиц фазы или молекулярной массы макромолекул. Единицей константы седиментации является сведберг, обозначаемый в литературе как большое латинское  .

Эти методы позволяют получать как усреднённую характеристику дисперсности, так и кривые распределения частиц по размерам или массам (для полимеров — молекулярно-массовое распределение).

ЛитератураПравить

1. Ходаков Г. С., Юдкин Ю. П. Седиментационный анализ высокодисперсных систем. — М., 1981.

См. такжеПравить