Прямые и обратные электрокинетические явления
К электрокинетическим явлениям относят эффекты, связанные либо с относительным движением двух фаз под действием постоянного электрического поля, либо с возникновением разности потенциалов при относительном смещении двух фаз, на границе между которыми существует двойной электрический слой.
Основанные на взаимосвязи между электрическими и кинетическими свойствами дисперсных систем, эти явления подразделяются на две группы: прямые и обратные. К прямым относят электрокинетические явления, возникающие под действием внешнего электрического поля (электрофорез и электроосмос), к обратным - явления, в которых при механическом перемещении одной фазы относительно другой возникает электрический потенциал (потенциалы протекания и седиментации).
Электрофорез и электроосмос были открыты профессором Московского университета Ф.Ф. Рейссом в 1908 г. при исследовании электролиза воды (наблюдения начаты в 1907 г.). Им поставлены два эксперимента, послужившие основой для дальнейшего исследования электрических свойств коллоидных систем (рис. 5.1).
а б
Рис. 5.1. Схематическое изображение опытов Рейсса по
электроосмосу (а) и электрофорезу (б)
В одном из них он использовал U-образную трубку - электролизер,перегороженную в нижней части диафрагмой из кварцевого песка (для разделения продуктов электролиза) и заполненную водой (рис. 5.1 а). При наложении внешнего электрического поля к электродам (100 В), опущенным в воду, Рейсс обнаружил перемещение жидкости в колено трубки с отрицательно заряженным электродом, происходящее до тех пор, пока не установится определенная разность уровней жидкости (равновесие с гидростатическим давлением). Причем, эта разность была значительной (~20 см) и быстро спадала после выключения тока. Поскольку без наличия диафрагмы (толченого кварца) движения жидкости не происходило, был сделан вывод о заряжении жидкости при контакте с частицами кварца.
Явление перемещения жидкости (дисперсионной среды) относительнонеподвижной дисперсной фазы под действием внешнего электрического поля, наблюдаемое как в капиллярно-пористых телах, так и в одиночных капиллярах, получило название электроосмоса.
В другом эксперименте Ф.Ф. Рейсс погружал в слой влажной пластичной глины на близком расстоянии стеклянные трубки с электродами и заполнял их водой до одинакового уровня, насыпал немного кварцевого песка и после наложения внешнего электрического поля наблюдал, наряду с электроосмосом, перемещение отрывающихся частиц глины (дисперсной фазы) в жидкости в противоположном направлении - к положительно заряженному электроду (рис.5.1 б). Он заметил, что в анодной трубке А жидкость над слоем песка становится мутной, появляется суспензия глинистых частиц, уровень воды понижается; в катодной трубке К мути нет, но уровень жидкости повышается. Из этого опыта им был сделан вывод: глинистые частицы, двигающиеся к положительному полюсу, заряжены отрицательно, а прилегающий к ним слой воды заряжен положительно, так как перемешается к отрицательному полюсу.
Явление перемещения частиц дисперсной фазы в постоянном электрическом поле к противоположно заряженному электроду получило название электрофореза. Таким образом, было обнаружено, что частицы имеют заряд, противоположный по знаку заряду жидкости.
Первые количественные исследования электроосмоса выполнены Видеманном (1852 г.). Он установил: объемная скорость V электроосмоса пропорциональна силе тока I при прочих фиксированных параметрах, а отношение V/I не зависит от площади сечения и толщины диафрагмы.
Позднее, во второй половине XIX в., былиоткрыты явления, обратные по характеру электроосмосу и электрофорезу.
Так, в 1859 г. Квинке обнаружил, что при фильтровании воды через пористую диафрагму19 [13] возникает разность потенциалов между двумя ее сторонами (рис. 5.2 а), пропорциональная давлению, под которым протекает жидкость. Возникновение разности потенциалов Квинке наблюдал при течении воды и водных растворов через разнообразные пористые материалы (диафрагмы): глину, песок, дерево, графит и др.
Подобная же разность потенциалов обнаруживается между концами одиночного капилляра при протекании через него воды или разбавленного раствора. Это явление, обратное электроосмосу, названо потенциалом течения (или потенциалом протекания)20 [14].
а б
Рис. 5.2. Схемы установок для наблюдения за возникновением
потенциалов течения (а) и оседания (б)
Явление, обратное электрофорезу, впервые наблюдали затем количественно исследовал Дорн (1878 г.). При оседании (седиментации) частиц суспензии кварца в воде под действием силы тяжести регистрировалась разность потенциалов, возникающая между двумя электродами, расположенными на разной высоте (рис. 5.2 б). Такое явление получило название потенциала оседания или потенциала седиментации, а также эффекта Дорна. Аналогичный эффект наблюдается в поле центробежной силы при центрифугировании суспензии.
Все описанные явления называютсяэлектрическими, поскольку в них обнаруживается взаимосвязь между электрическим полем и полем скоростей (кинетическим). Они могут быть сгруппированы попарно - либо по принципу причинности, либо по принципу объекта.
По причинно-следственным признакам электрокинетические явления в дис-персных системах подразделяют на две группы. К первой группе относят явления, при которых относительное движение фаз обусловлено электрической разностью потенциалов (электроосмос, электрофорез). Ко второй группе относят явления, при которых относительное движение фаз вызывает возникновение электрической разности потенциалов (потенциалы течения и оседания).
Электрокинетические явления в течение длительного времени не могли быть объяснены. Теперь, на основании существующих представлений об электрических свойствах границы раздела твердой и жидкой фаз, можно считать, что причина этих явлений заключена в существовании на ней двойного электрического слоя (ДЭС).
Дата добавления: 2015-10-11 | Просмотры: 2985 | Нарушение авторских прав
|