6.1.2.1.Понятие о строении двойного электрического слоя.

Образование двойного слоя ионов приводит к появлению определенных электрических потенциалов. На границе раздела твердой и жидкой фаз. Ионы первого слоя (внутренней обкладки), фиксированные на твердой поверхности, придают этой поверхности свой знак заряда и создают на ней так называемый поверхностный или J – потенциал (фи - потенциал), знак которого совпадает со знаком потенциалообразующих ионов. Величина J – потенциала пропорциональна числу зарядов ионов на поверхности частиц. Если двойной слой образуется в результате адсорбции ионов или диссоциации твердого вещества, то электрический потенциал на поверхности частиц определяется исключительно концентрацией или активностью этих ионов в растворе, т.к. частицы действуют, как обратимый электрод относительно этих ионов. В этом случае - потенциал выражается уравнением Нернста.

или ( 6.0)

где

J- электрический потенциал на поверхности частицы;

R- универсальная газовая постоянная;

Т - абсолютная температура;

z - заряд потенциалообразующих ионов;

F- постоянная Фарадея;

N_A- постоянная Авогадро;

е - заряд электрона;

k- постоянная Больцмана (k=R/ N_A) ;

а₀ и а_p - активность ионов на поверхности и в растворе соответственно.

Второй потенциал, характеризующий двойной слой ионов, называется электрокинетическим или  - потенциалом (дзета – потенциалом). Он представляет собой электрический потeнциал в двойном слое на границе между частицей, способной к движению в электрическом поле и окружающей жидкостью. Указанный потенциал является потенциалом поверхности скольжения. С учетом того, что в двойном электрическом слое точное расстояние от твердой поверхности до поверхности скольжения неизвестно, приближенно принимают, что поверхность скольжения проходит по границе между адсорбционным и диффузным слоями ионов, т.е.  – потенциал близок по величине к потенциалу на границе адсорбционного и диффузного слоев.

Рассмотрим кратко существующие теории двойного электрического слоя (ДЭС). Согласно простейшей и исторически первой теории строения ДЭС, предложенной Гельмгольцем, указанный слой состоит из двух плоских слоев зарядов, расположенных на молекулярном расстоянии один от другого и взаимодействующих между собой только за счет электростатических сил (аналогично взаимодействию в плоском конденсаторе). Падение потенциала между слоями происходит линейно (рис.6.2,1.).

Теория Гуи и Чемпена рассматривает диффузное расположение противоионов, которые находятся под действием электростатических сил притяжения к поверхности и сил теплового движения ионов, приводящих к диффузионному размыванию внешнего слоя ионов. Эта теория вводит понятие диффузного слоя, но ионы рассматриваются как точечные заряды, не имеющие собственных размеров. К недостаткам теории следует отнести то, что она не объясняет явление перезарядки, не учитывает специфическую адсорбцию противоионов и др.

Наиболее совершенной в настоящее время является теория Штерна, которая указывает, что часть противоионов находится на молекулярном расстоянии от поверхности, образуя слой, подобный слою Гельмгольца, и другая часть ионов имеет размытое расположение и образует диффузный слой.

Рис. 6.31 Схема строения двойного электрического слоя 1 - по Гельмгольцу;

2 - по Гуи-Чемпену; 3 - по Штерну. ( х - расстояние от твердой поверхности).

Штерн ввел в теорию ДЭС представление о конечных размерах ионов и учел их специфическую адсорбцию. В настоящее время теория ДЭС продолжает развиваться.

Величина дзета-потенциала частиц определяет ее способность к коагуляции и во многих случаях является критерием полноты протекания процесса.

Экспериментально значение дзета-потенциала определяют методом электрофореза, (электрофорезом называется перемещение заряженных коллоидных частиц, находящихся под действием электростатического поля к одному из электродов), используя модифицированное расчетное уравнение Гельмгольца-Смолуховского:

( 6.0)

где - коэффициент вязкости жидкой среды;

U- средняя линейная скорость движения частиц;

_a - абсолютная диэлектрическая проницаемость жидкой фазы;

Е - градиент потенциала внешнего электрического поля.

Отношение U/E при электрофорезе называют электрофоретической подвижностью U_эф. Для расчета  - потенциала (в) на коллоидных частицах, находящихся в разбавленных водных растворах при 20^С, используют соотношение:

 = 1,42 10⁶ U_эф ( 6.0)

где U_эф выражена в м²/(с в).

Значение - потенциала для коллоидных растворах обычно лежит в пределах от 1,5 до 75 мB.