Электрокинетические явления
Двойной электрический слой, образующийся на границе раздела фаз, имеет следующее строение (рис. 5). Непосредственно на поверхности располагается слой потенциалопределяющих ионов. Потенциалопределяющие ионы могут входить в состав кристаллической решетки. Для определения возможности образования ионами потенциалопределяющего слоя руководствуются обычно правилом Панета-Фаянса: на поверхности твердого вещества предпочтительно адсорбируются ионы, способные достраивать его кристаллическую решётку или образующие с ионами, входящими в состав кристаллической решётки, наиболее труднорастворимые соединения.
Мицеллы электронейтральны. Значение среднего электрического заряда коллоидных частиц определяется разностью электростатических потенциалов, возникающей между коллоидными частицами и раствором при установлении равновесия в системе. Эта разность называется ζ(дзета)-потенциал системы.
Рис. 5. Строение двойного электрического слоя
Чем больше ζ-потенциал, тем больше значение электрического заряда коллоидной частицы. Чем больше заряд, тем больше силы отталкивания между частицами (больше коллоидная устойчивость).
Адсорбционный слой может содержать ионы как одноименные с потенциалопределяющими, так и ионы противоположного знака. За пределами адсорбционного слоя находится диффузный слой. Общее число ионов, входящих в двойной электрический слой, должно быть таким, чтобы суммарный заряд (с учетом знаков) равнялся 0. При наложении внешнего электрического поля, вызывающего движение частиц или среды (электрофорез и электроосмос), или, наоборот, при движении частиц или среды, вызывающих возникновения разности потенциалов (потенциал протекания и потенциал оседания), происходит разрыв диффузного слоя по плоскости скольжения. Потенциал на плоскости скольжения – ζ-потенциал.
Замена ионов адсорбционного слоя другими, более поверхностно-активными ионами противоположного знака может вызвать изменение состава диффузного слоя и знака ζ-потенциала.
Электрофорез и электроосмос. Электрофорезом называют перемещение частиц дисперсной фазы относительно неподвижной дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля. Электроосмосом называют перемещение дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы под действием внешнего электрического поля.
Электрически заряженная частица с находящимся на ее поверхности адсорбционным (неподвижным) слоем противоионов, который нейтрализует часть заряда поверхности, начинает перемещаться к одному из полюсов, в то время как диффузное облако противоионов смещается в противоположном направлении. Наблюдая электрофоретическое движение частиц, можно установить, каков знак заряда частиц, а также определить электрокинетический потенциал (ζ-потенциал), от которого зависит устойчивость частиц золя.
Для расчета электрокинетического потенциала, или ζ-потенциала, по данным изучения электрокинетических явлений применяются следующие уравнения электрофореза, электроосмоса и потенциала протекания:
где η – вязкость среды,
εa = εε0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость среды (ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, ε0 =8,885∙10–12 Ф/м – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума),
χ – удельная электропроводность среды,
Е – напряженность электрического поля,
i – сила тока, проходящего через среду,
ΔP – приложенная к системе разность гидростатических давлений,
W – скорость движения частиц золя,
V – объёмная скорость движения жидкости (м3/с),
u – разность потенциалов по обе стороны мембраны при продавливании через нее жидкой среды,
f – коэфициент, учитывающий форму частиц и их ориентацию в электрическом поле (f = 1 для цилиндрических частиц, ориентированных вдоль силовых линий электрического поля; f = ½ для цилиндрических частиц, ориентированных перпендикулярно силовым линиям; f = 2/3 для сферических частиц).
Расчет ζ-потенциала для электрофореза производят по формуле:
ζ = 4πηu/εH,
где η – вязкость среды; u – электрофоретическая скорость частицы; ε – диэлектрическая проницаемость; Н – градиент потенциала. Градиент потенциала находят делением э.д.с. Е на расстояние между электродами l в приборе для изучения электрофорезa:
H = E/ l.
Уравнение относится к частицам, имеющим цилиндрическую форму. Для частиц сферической формы используют формулу:
ζ = 6πηu/εH.
Величина электрокинетического потенциала зависит от концентрации ионов электролитов в растворе и от их заряда. Чем больше концентрация электролита, тем меньше толщина диффузной части двойного электрического слоя и тем меньше потенциал. В предельном случае, когда все ионы диффузного слоя перейдут в адсорбционный слой, ζ-потенциал становится равным нулю.
ПАВ
Если растворённое вещество понижает поверхностное натяжение растворителя, то оно называется поверхностно-активным (ПАВ). По отношению к воде поверхностно-активными веществами являются многие органические соединения, например спирты и кислоты алифатического ряда, сложные эфиры, белки и др.
Если растворённое вещество незначительно повышает поверхностное натяжение растворителя – поверхностно-инактивное (ПИВ). По отношению к воде поверхностно-инактивными веществами являются неорганические кислоты, основания, соли и такие органические соединения, как глицерин, аминокислоты.
Если растворённое вещество практически не изменяет поверхностного натяжения растворителя, оно поверхностно неактивное (ПНВ). По отношению к воде такими веществами являются сахароза и ряд других.
Чтобы вещество обладало способностью понижать поверхностное натяжение растворителя, необходимо, чтобы молекулы этого вещества состояли из неполярной (гидрофобной) углеводородной части (хвост) и полярной (гидрофильной) группы (голова). Такие вещества называются дифильными. К полярным относятся ОН, СООН, СОО, NH2CON, SO3 и др. С ростом концентрации ПАВ их поверхностная активность понижается. При увеличении углеводородной цепи на одну метиленовую группу –СН2– поверхностная активность веществ одного и того же гомологического ряда возрастает примерно в 3 раза для разбавленных растворов (правило Дюкло – Траубе).
ПАВ электролиты – ионогенные; ПАВ неэлектролиты – неионогенные.
При адсорбции полярная группа, обладающая большим сродством к полярной фазе (например, к воде) втягивается в неё. В то же время неполярная группа выталкивается в неполярную фазу.
При адсорбции ПАВ на границе раздела твёрдое тело – раствор так же, как и на границе раствор – газ, наблюдается различная ориентация молекул адсорбата. В системе «полярный адсорбент – неполярный растворител» молекулы адсорбата обращены полярной частью («головой») к поверхности адсорбента, а неполярная их часть («хвост») погружена в растворитель. В случае системы «неполярный адсорбент – полярный растворитель», наоборот, неполярная часть молекулы обращена к поверхности адсорбента, а полярная часть погружена в растворитель.
Дата добавления: 2015-10-11 | Просмотры: 532 | Нарушение авторских прав
|