Броундық қозғалыс

Коллоидты системадағы (зольдегі) жисперсті фазаның бөлшектері ерітінді мен еріткіш молекулаларының соқтығысуы, қақтығысуы салдарынан ретсіз қозғалыста болады. Мысалы, кез келген коллоиды ерітінді ультромикроскоп арқылы қараса ондағы золь бөлшектерінің ретсіз қозғалыста екенін көруге болады.

Бұл құбылысты 1827 жылы ағылшын оқымыстысы, ботаник Р.Броун байқаған.ол өсімдік тозаңының судағы жүзгінін микроскоп арқылы бақылағанда, олардың ретсіз қозғалыста болатынын көрген. Әуелде Броун бұл қозғалыстарды өсімдік тозаңы сияқты тірі организмдерге тән құбылыс деп тұжырымдады. Кейіннен органикалық, бейорганикалық заттан әзірленген жүзгіндер мен эмулсиялардағы бөлшектердің өлшемі 1-5 мк болса, олар ретсіз қозғалыста болатынын байқады.

1888 жылы Гуи, 1900 жылы Экснер броундық қозғалыстың табиғаты молекулалық-кинетикалық теорияға, яғни жылу әсерінен пайда болатын қозғалысқа негізделуі мүмкін деген пікір айтты. Бұл пікір Эйнштейн және Смолуховский есептеулері арқылы дәлелденіп, Перрен және Сведберг зерттеулеріндегі асқан дәлдікпен жүргізілген тәжірибелер кезінде нақтылы деректермен толықтырылды. Көптеген тәжірибелер броундық қозғалыс зат табиғатына тәуелсіз, ал бөлшектің өлшеміне, ол орналасқан ортаның температурасы мен тұтқырлығына тәуелді екенін көрсетті. Еріткіш молекулаларының тынымсыз соққылауы салдарынан да дисперсті фазаның бөлшектері ретсіз қозғалысқа түседі. Әрбір бөлшектің қозғалысы немесе белгілі мерзімдегі орын ауысып жылжуы қақтығысудың орташа мәні ретінде қабылданды. Мысалы, бір бөлшек бір секундта шамамен 10²⁰ қақтығысуға душар болады екен. Бөлшек өте кішкене болса, оның жан-жағынан немесе әр тұсынан тиетін соққы саны бірдей бола бермейді және кеңістіктегі мұндай бөлшек өте күрделі ізбен (траекториямен) жылжиды. Егер дисперсті фазадағы бөлшектің өлшемі мен массасы белгілі бір шектен асып кететін болса, онда қақтығысулардың бірін-бірі жою мүмкіндігі арта түседі. Сондықтан да өлшем 4-5 ммк болатын бөлшектер өте жай тербелмелі қозғалыста болады. Ал бөлшек мұнан ірі болса, броундық қозғалыс байқалмайды.

Коллоидты системаны микроскоп арқылы бақылағанда, ондағы белгілі бір бөлшекті х деп белгілеп, оның траекториясын анықтасақ, ол көрсетілгендей болады да белгілі мерзімдегі орташа жылжуы ∆ х- ке теңеледі. Бұл түрлі бағыттағы көптеген қозғалыстың статистикалық нәтижесі немесе көлеңке іспеттес проекциясы. Ал броундық қозғалыстағы бөлшектің шын мәніндегі траекториясын молекулалардікіндей дәл көріп бақылау мүмкін емес, өйткені олар өте көп. Ондағы әрбір бөлшек тек бір секундтың өзінде есепсіз соқтығысып, өз бағытын есепсіз өзгертеді. Ал адам өте үлкейтілген бөлшектің бір секундтағы тек 10 шақты қозғалысын көре алады екен. Сондықтан броундық қозғалыс теориясына газ молекуласына қолданылып келген орташа квадраттық жылжу деген ұғым енгізілді. Ол көрсетілгендегідей бөлшектің t уақытта А мен В жағдайға өзгеруі. Кейде оны орташа проекция деп те атайды. Бөлшектің орташа жылжуының (∆ х) уақыт пен диффузия коэффициентіне тәуелділігі Эйнштейн теңдеуімен өрнектеледі:

∆ х ² = 2Dt; ∆x = 2Dt (34)

мұндағы ∆x – орташа жылжуы; ∆ х ² – орташа квадраттық жылжу; t – жылжуға кеткен уақыт; D- диффузия коэффициенті. Дисперсті ортадағы молекуладан үлкен өлшемде болатын дисперсті шар тәрізді бөлшектің диффузия коэффициентінің мәні былай анықталады:

D = RT / NA•1 / 6πηr (35)

Соңғы екі теңдеудің коллоидты химиядағы мәні ерекше. Онда диффузия коэффициентін анықтау арқылы шар тәрізді коллоидты бөлшектің радиусын есептеуге және сол сияқты жоғарғы молекулалық қосылыстардың шамасын өлшеуге болады. Ал бөлшек күрделі пішінді болса, соңғы теңдеудің оң жақтағы соңғы мүшесі (6πηr) біршама күрделенеді. Ол үшін (2) теңдеудегі диффузия коэффициентінің мәнін оның алдыңдағы (1) теңдеуге қойып, бөлшектің орташа жылжуын есептейді:

∆x= 2RT/ N_A •1 / 6πηr • t = RT/ N_A• t / 3πηr (36)

Броундық қозғалысты жан-жақты зерттеген Перрен өз тәжірибесінде алған мәліметтерге сүйеніп және математик Ланжевенің көмегімен Авогадро санының (N_A) мәнін дәл анықтайды. Броундық қозғалыс тек коллоидты химияны, табиғаттану ілімдерін дамытып қана қоймастан, жалпы диалектикалық, материалистік көзқарастың дұрыстығын, ғылымилығын дәлелдеді.