Электроповерхностные явления. Строение двойного электрического слоя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электроповерхностные явления. Строение двойного электрического слоя

Содержание

Введение

Строение двойного электрического слоя

Модель Штерна

Электрокинетический потенциал

Список литературы

Введение

Электрокинетическими явлениями называют перемещение одной фазы относительно другой в электрическом поле и возникновение разности потенциалов при течении жидкости через пористые материалы или при оседании частиц.

Электрокинетические свойства обусловлены наличием заряда у частиц дисперсной фазы и противоположного заряда дисперсионной среды.

Существует два вида электрокинетических явлений: I и II рода.

Явления I рода: электрофорез, электроосмос.

Электрофорез - перенос коллоидных частиц в электрическом поле. 1809 г. Ф.Ф. Рейсс изучал электрофорез на глине. Он показал, что при наложении разности электрического потенциала на электроды, опущенные в заполненные водой стеклянные трубки, воткнутые в кусок сырой глины, жидкость в трубке с положительным полюсом мутнела, а в трубке с отрицательным полюсом вода оставалась прозрачной. Это указывает на то, что частицы глины переносятся в электрическом поле к положительному полюсу, дисперсная фаза заряжена отрицательно - кремнезём (основная часть почв): [mSiO₂]•nSiO^- • (n - x)H⁺]^x- • xH⁺.

Рейс также проводил опыты по электроосмосу: тонкий порошок кварца в средней части U-образной трубки образует род пористой диафрагмы, если трубку заполнить водой, при наложении электрического тока к электродам в коленах трубки, уровень воды в колене с отрицательным электродом будет повышаться до определённой высоты.

Электроосмос - это течение жидкости через капиллярные системы под влиянием разности потенциалов. 1852 г. Видеман установил, что количество жидкости, прошедшей через капилляры пористой диафрагмы, пропорционально силе тока и при постоянной силе тока не зависит от площади сечения или толщины диафрагмы.

Причина обоих явлений - разноимённые заряды твёрдой и жидкой фазы.

Явление II рода: потенциал седиментации и потенциал протекания.

Эффект Дорна или потенциал седиментации (1878г.) - явление, обратное электрофорезу - при оседании дисперсной фазы в жидкости возникает разность потенциалов между двумя электродами, введёнными в разные места столба жидкости (движение через относительно неподвижные жидкости).

Эффект Квинке или потенциал протекания (1859 г.) - явление, обратное электроосмосу - возникновение разности потенциалов при течение воды и водных растворов через разнообразные пористые материалы под действием перепада давлений (движение жидкости относительно неподвижной твёрдой фазы).

Заряд на коллоидных частицах лиозолей обусловлен наличием на их поверхности двойного электрического слоя из ионов (ДЭС), который возникает в результате двух причин:

- или в результате избирательной адсорбции одного из ионов электролита; электрокинетический потенциал дорн гельмгольц

- или за счет ионизации поверхностных молекул вещества.

Пример образования ДЭС в результате избирательной адсорбции одного из ионов электролита: ДЭС, возникающий на кристалликах иодистого серебра, находящегося в слабом растворе иодистого калия. Потенциалопределяющие ионы, способные достраивать кристаллическую решётку иодистого серебра, придают частицам AgI отрицательный заряд, а ионы калия находятся в растворе вблизи межфазной поверхности.

Пример возникновения ДЭС за счет ионизации поверхностных молекул вещества: образование ДЭС на кристалликах водного золя двуокиси кремния SiO₂. Молекулы SiO₂ взаимодействуют с дисперсионной фазой, гидратируются и образуют кремнекислоту, способную ионизироваться по уравнению

H₂SiO₃ - SiO₃^2- + 2H⁺

При этом силикатные ионы SiO₃^2- остаются на поверхности частицы, обусловливая её отрицательный заряд, а ионы водорода находятся в растворе.

Строение двойного электрического слоя

Существует несколько моделей, описывающих строение двойного электрического слоя.

I. Модель Гельмгольца-Перрена

ДЭС - это два близко расположенных слоя ионов: один на поверхности (потенциалопределяющие ионы), другой - в растворе на расстоянии удвоенного радиуса ионов (противоионы), в целом система электронейтральна. является как бы плоским конденсатором (рис. 19).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 19. Схема ДЭС по Гельмгольцу-Перрену и соответствующий скачок потенциалов.

По Гельмгольцу ДЭС является как бы плоским конденсатором, тогда электрический потенциал в таком ДЭС определяется:

,

где ц₀ - разность потенциалов между дисперсной фазой и дисперсионной средой; q - поверхностный заряд;

C - емкость конденсатора:

,

е - диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды; е₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость: ; д - расстояние между пластинами. Или

Скачок потенциала носит чисто термодинамический характер - разность между всеми потенциалопределяющими ионами и всеми противоионами.

Недостатки теории: - толщина ДЭС Гельмгольца-Перрена очень мала и приближена к молекулярным размерам, хотя установлено, что плоскость скольжения находится в жидкой фазе на некотором расстоянии от межфазной границы;

- невозможно определить реальный электрокинетический потенциал, т.к. по его теории он равен термодинамическому, что невозможно.

Плоскость скольжения (АВ) - место разрыва при перемещении твердой и жидкой фазы относительно друг друга. Она находится на некотором расстоянии от межфазной границы.

Электрокинетический потенциал ( - дзета потенциал) - это разность потенциалов между подвижной (диффузной) и неподвижной (адсорбционной) частями двойного электрического слоя.

II. Модель Гуи-Чэпмена

Теория ДЭС с диффузным слоем противоионов предложена независимо друг от друга Гуи (1910 г.) и Чэпменом (1913 г.).

Противоионы не образуют монослоя, они рассеяны в жидкой фазе на некотором расстоянии от границы раздела. Толщина ДЭС от 1 до 10 мкм.

Такая структура определяется: - электрическим полем у твердой фазы - притягивается эквивалентное количество потивоположно заряженных частиц;

- тепловым движением, которое стремится рассеять противоионы в объеме жидкой фазы.

С удалением от твердой фазы сила электрического поля ослабевает и проявляется сила теплового движения, вследствие чего возникает диффузный слой (рис. 20). Равновесие этого диффузного слоя является подвижным - динамическим.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 20. Схема ДЭС по Гуи-Чэпмену и падение в нём потенциала.

Так как диффузность слоя противоинов определяется тепловым разбрасыванием, при температуре абсолютного нуля все противоины должны находится у твёрдой поверхности. Таким образом, теоретические представления Гельмгольца-Перрена оказываются частным случаем теории Гуи-Чэпмена.

Электрокинетический потенциал будет обуславливать явления электрофореза и электроосмоса при наложении электрического поля.

Величина электрокинетического потенциала зависит от:

1) концентрации противоионов индифферентного электролита - при введении в систему индифферентного электролита - электролита, не имеющего ионов, способных достраивать кристаллическую решетку - потенциал ц₀ практически не изменяется, но с увеличением концентрации электролита, толщина диффузного слоя будет падать, т.к. для компенсации потенциалопределяющих ионов требуется одно и тоже эквивалентное

количество ионов. Таким образом, ДЭС будет сжиматься, в результате электрокинетический потенциал меняется (рис. 21).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 21. Влияние введения индифферентного электролита разной концентрации на толщину ДЭС и величину электрокинетического потенциала (концентрация электролита увеличивается от кривой 1 к кривой 4).

В случае 4 ДЭС находится ближе к стенке, чем плоскость скольжения, о-потенциал будет равен нулю. Из-за достаточно больших концентраций введённого электролита диффузный слой сжимается до моноионного, и ДЭС превращается в слой Гельмгольца-Перрена.

2) валентности противоиона: с увеличением валентности противоиона резко уменьшается о-потенциал, т.к. сильно заряженный противоион одновременно сильно притягивается к поверхности и сильно её экранизирует своим противоположными зарядом.

Недостатки теории: - не принимается во внимание объем ионов , рассматривая их как точечные заряды, которые могут близко подойти к стенке;

- не объясняет явление перезарядки - перемены знака электрокинетического потенциала при введении в систему электролита с многовалентными ионами;

- не объясняет различного действия противоионов с одной и той же валентностью и разным радиусом на ДЭС.

Модель Штерна

1924 г. Штерн объединил схему строения ДЭС Гельмгольца-Перрена и Гуи-Чэпмена. Учёл размеры ионов и взаимодействие ионов с поверхностью твердой фазы, которое обусловлено наличием на малом расстоянии от поверхности (порядка несколько ангстрем) поля молекулярных (адсорбционных) сил.

ДЭС состоит из двух частей: часть противоионов находится на молекулярном расстоянии твердой фазы - слой Гельмгольца, другая часть образует диффузнный слой по Гуи.

Таким образом, можно выделить две тенденции: адсорбцию противоионов и диффузию противоионов.

Падение потенциала ц₀ складывается из ц_д - падения потенциала в диффузнном слое - и разности потенциалов между обкладками конденсатора ц₀ - ц_д . Границы скольжения не ясны, в общем случае по границе слоя Гуи (рис. 22).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 22. Схема ДЭС по Штерну и падение в нём потенциала.

Зависимость электрокинетического потенциала от валентности протиаоиона определяется адсорбционной способностью, обусловленной их поляризуемостью и гидратацией: с увеличением поляризуемости частицы уменьшается электрокинетический потенциал, т.к. возникают дополнительные адсорбционные силы между твердой фазой и наведенным диполем и ион может ближе подойти к поверхности.

Гидратация ионов уменьшается с увеличением радиуса иона, поэтому с уменьшением гидратации уменьшается электрокинетический потенциал, т.к. гидратная оболочка уменьшает электростатическое взаимодействие между противоионом и поверхностью твёрдой фазы.

Перезарядка ДЭС: многовалентные электроны могут втягиваться в слой Гельмгольца из-за сильных электрических взаимодействий (хорошая адсорбируемость из-за высокой поляризуемости). Количество адсорбционных ионов может нейтрализовать заряд поверхности и перезарядить ее. Потенциал ц₀ не изменяется, т.к. чужеродные ионы не способны достраивать кристаллическую решетку твердой фазы.

Электрокинетический потенциал

Направленное перемещение частиц дисперсной фазы под действием электрического поля может наблюдаться в седиментационно-устойчивых дисперсных системах. При этом происходит разрыв ДЭС по плоскости скольжения, в результате частица приобретает определенный заряд и движется к соответствующему электроду. При электрофорезе можно измерить скорость движения частиц (рис. 23).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 23. Схема движения коллоидных частиц в электрическом поле.

Линейная скорость (u)

- движение частиц относительно мембраны при электроосмосе и движение частиц при электрофорезе:

, -

уравнение Гельмгольца-Смолуховского

где - вязкость. Единицы измерения линейной скорости [м/с].

При движении частиц дисперсной фазы они вынуждены взаимодействовать с противоионами дисперсионной среды, что вызывает электрофоретическое торможение, что уменьшает линейную скорость при электрофорезе.

Электрофоретическое торможение

u_эф является функцией размера частиц и толщины диффузного слоя.

-

без учета электрофоретического торможения

-

с учетом электрофоретического торможения,

где f - параметр Дебая, б - диаметр частицы. Единицы измерения электрофоретического торможения .

Характеристикой электрофореза является также электрофоретическая подвижность, которая характеризует электрофоретические свойства системы без учета влияния внешнего электрического поля и служит для сравнения способности к электрофорезу различных коллоидных систем.

При исследовании явления электроосмоса для практического применения при расчете электрокинетического потенциала удобнее использовать уравнение, в которое входят величины, измеряемые экспериментально. Выразим линейную скорость через объёмную:

,

где r - радиус капилляра, l - длина капилляра, I - сила тока, с - удельное сопротивление, ч_v - удельная электрическая проницаемость жидкости, R - сопротивление.

Пи расчете электрокинетического потенциала и при выборе оптимального режима ряда технологических процессов (проведение электродиализа, определении пористости грунтов т.д.) необходимо учитывать поверхностную проводимость ч_s - это явление сводится к тому, что находящиеся около межфазной границы ионы изменяют состав среды, они являются причиной передвижения жидкости или частиц. Изменение состава среды ведёт к изменению электропроводности раствора у межфазной границы.

Поверхностная проводимость ч_s учитывается путём введения коэффициента эффективности диафрагмы б:

Путём электроосмоса удаляют влагу из капиллярнопористых систем и понижают уровень грунтовых вод при возведении гидротехнических сооружений.

Метод электрофореза применяют для формирования изделий из тонких взвей последующим спеканием для разделения, выделения и исследования биоколлоидов, особенно белков.

Возникновение электрических полей при течении грунтовых вод помогает в геологической разведке полезных ископаемых и водных источников.

Список литературы

1. Горбунцова, С.В. Физическая и коллоидная химия (в общественном питании): Учебное пособие / С.В. Горбунцова, Э.А. Муллоярова, Е.С. Оробейко, Е.В. Федоренко. - М.: Альфа-М, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 270 c.

2. Сумм, Б.Д. Коллоидная химия: Учебник для студентов учреждений высших учебных заведений / Б.Д. Сумм. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 240 c.

3. Щукин, Е.Д. Коллоидная химия: Учебник для бакалавров / Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина. - М.: Юрайт, 2013. - 444 c.

Размещено на Allbest.ru