Электрокинетические явления. Электроосмос. Электрофорез

Ранее было отмечено, что при погружении металлической пластинки в раствор соли того же металла на границе металл-раствор возникает двойной электрический слой (ДЭС), имеющий диффузное строение. Подобное явления наблюдается на границе любой твердой поверхности с раствором или водой.

В суспензиях и коллоидных растворах носителями ДЭС являются свободно передвигающиеся в жидкой ДС твердые частицы.

Смещение одной из фаз относительно другой (например, при механическом продавливании воды через неподвижную пористую перегородку или же при оседании твердых частиц в неподвижной жидкости) вызывает противодействие системы нарушению установившегося равновесия в форме появляющегося электрокинетического потенциала или ξ-потенциала. В данном случае его называют потенциалом протекания или потенциалом оседания.

К электрокинетическим также относятся явления электрофореза и электроосмоса.

Явление перемещения твердых частиц в электрическом поле относительно неподвижной жидкости к электроду, знак которого противоположен заряду перемещающихся частиц, называют электрофорезом.

Направленное движение жидкости в электрическом поле относительно неподвижной твердой поверхности называют электроосмосом.

Описанные явления наблюдаются, например, в опыте Рейсса: в комок сырой глины помещали две стеклянные трубки, на дно которых насыпали слой чистого песка; трубки заполняли водой и в них погружали электроды, соединенные с полюсами источник тока. Частицы глины в воде благодаря абсорбции ионов ОН^- приобретают отрицательный заряд и при пропускании через систему тока движутся к аноду, гидратированные ионы Н⁺ диффузного слоя при этом перемещаются к катоду. Под действием силы трения это движение передается соседним молекулам воды, не связанным с ионами. В результате в анодной трубке уровень воды понижается и в ней появляется муть – частицы глины (электрофорез), а в катодной трубке повышается уровень воды, которая остается прозрачной (электроосмос).

Строение мицелл золей

Экспериментальным путем было доказано, что частицы различных золей обладают одноименным (либо положительным, либо отрицательным) электрическим зарядом. Наличие одноименного заряда у всех частиц данного золя является важным фактором его устойчивости. Заряд препятствует слипанию, укрупнению и выпадению в осадок коллоидного вещества. Электрический заряд может возникать в результате диссоциации молекул, находящихся на поверхности коллоидной частицы. Однако чаще всего причиной возникновения заряда является процесс адсорбции частиц ионов того или ионного знака, присутствующих в ДС.

В настоящее время общепринятой является мицеллярная теория строения коллоидных частиц. Согласно этой теории золь состоит из двух частей: мицелл и интермицеллярной жидкости.

Интермицеллярная жидкость – ДС, содержащая электролиты и неэлектролиты.

Мицелла – электрически нейтральная структурная коллоидная единица, окруженная двойным слоем ионов.

При электрофорезе к электроду перемещается не вся мицелла, а только ее часть, ограниченная адсорбционным слоем и называемая гранулой или частицей. Центр и основную массу гранулы составляет ядро, обладающее кристаллическим строением.

Ядро – это скопление большого числа (m) молекул или атомов вещества, образующего данный золь (m достигает сотен и тысяч единиц и зависит от степени дисперсности и размеров атомов и молекул). Вещество ядра нерастворимо в ДС. На его поверхности из внешней среды адсорбируются ионы того или иного знака. Их называют ионогенными группами, или ионами, определяющими потенциал. Обычно ионогенные группы содержат элементы, общие с веществом ядра (правило Пескова-Фаянса).

Ионы, противоположные по знаку потенциалопределяющим – противоионы – окружают ядро в виде ионного облака, распределяясь между адсорбционным и диффузным слоями.

Рассмотрим строение мицелл на примере золя иодида серебра, котрый получают сливанием очень разбавленных растворов нитрата серебра и иодида калия. В зависимости от условий получения золя гранулы заряжаются по-разному. При избытке AgNO₃ гранулы имеют положительный заряд, поскольку в этом случае потенциалообразующими являются ионы nAg⁺. Противоионы nNO3- располагаются в адсорбционном слое в количестве (n-x), а в диффузном – х ионов. Так как n > n-x, то гранула золя будет иметь положительный заряд:

ядро

гранула

Коллоидная частица с окружающим ее диффузным слоем сольватированных противоионов составляют мицеллу. В отличие от коллоидной частицы мицелла электронейтральна и не имеет строго определенных размеров.