3.2. Современные представления о строении дэс

Существует несколько теорий строения ДЭС. Рассмотрим наиболее значительные из них

• теория Гельмгольца–Перрена (1879 г.);

• теория Гуи–Чепмена (1910-1913 гг.);

• теория Штерна (1924 г.).

Во всех теориях для упрощения ДЭС рассматривают как плоскопараллельный конденсатор. Это допущение приемлемо, т.к. толщина ДЭС намного меньше радиуса кривизны поверхности частицы дисперсной фазы (аналогично земля нам кажется плоской, т.к. ее радиус около 6000 км, что значительно больше расстояния, на которое видит человеческий глаз). Авторы теорий исходили из следующих предпосылок.

1. ДЭС состоит из слоя ионов определенного заряда (потенциалопределяющих ионов), относительно прочно связанных с дисперсной фазой, и эквивалентного количества противоионов, находящихся в жидкой дисперсионной среде вблизи межфазной поверхности.

2. Потенциалопределяющие ионы равномерно распределяются по поверхности дисперсной фазы, вызывая появление электрического потенциала .

3. Поверхностный заряд полностью компенсируется суммарным зарядом противоионов. Потенциал на границе ДЭС равен 0.

4. Между противоионами и ионами того же знака, не входящими в ДЭС, существует динамическое равновесие.

5. Дисперсионная среда представляется как непрерывная фаза, влияние которой на ДЭС определяется лишь ее диэлектрической проницаемостью.

Отличие между теориями сводится в основном, к различному толкованию структуры слоя противоионов.

1 ) Согласно теории Гельмгольца–Перрена ДЭС представляет собой плоский конденсатор, одна обкладка которого связана с поверхностью твердого тела, а другая, несущая противоположный заряд, находится в жидкости на очень близком расстоянии от твердой поверхности. Схема строения ДЭС приведена на рис. 28, на котором заштрихованная часть представляет твердую фазу, не заштрихованная – раствор. Положительно и отрицательно заряженные ионы обозначены соответственно «+» и «–». Потенциал в таком ДЭС с увеличением расстояния от поверхности твердого тела падает прямолинейно, как в плоском конденсаторе.

2) По теории Гуи–Чепмена противоионы рассеяны в жидкой фазе на некотором расстоянии от границы раздела. Такая структура ДЭС обусловлена действием электростатических сил, стремящихся притянуть эквивалентное количество противоположно заряженных ионов к поверхности твердой фазы и тепловым движением ионов, вследствие которого противоионы стремятся рассеяться по объему жидкости. Электростатические силы преобладают непосредственно вблизи твердой поверхности. С удалением от межфазной поверхности действие электростатических сил ослабевает и проявляется влияние теплового движения. Возникает равновесный диффузный слой противоионов, связанный с твердой фазой. Строение ДЭС по Гуи–Чепмену изображено на рис 29. В этом случае в непосредственной близости от твердой поверхности потенциал падает резко по прямой, так как здесь больше компенсирующих заряд противоионов. Чем дальше от поверхности твердой фазы, тем более плавно снижается потенциал по криволинейной зависимости.

П о Чепмену толщина  диффузионного слоя ДЭС является функцией следующих величин:

, (41)

где – константа; – диэлектрическая проницаемость среды;

– температура;

– ионная сила раствора.

Теории Гельмгольца–Перрена и Гуи–Чепмена не объясняют ряд явлений, наблюдаемых на практике.

3) Современные представления о строении ДЭС базируются на теории Штерна, объединяющей первые две теории. Предпосылки теории:

– взаимодействие ионов с поверхностью твердой фазы обусловлено наличием на некотором расстоянии от поверхности поля адсорбционных сил, действие которых значительно уменьшается по мере удаления от твердой поверхности;

– ионы имеют определенные размеры, следовательно, центры ионов не могут подходить к поверхности ближе, чем на расстояние ионного радиуса.

С огласно Штерну слой противоионов состоит из двух частей: плотного адсорбционного слоя (слоя Гельмгольца) и диффузионного слоя (слоя Гуи–Чепмена) (рис. 30).

Адсорбционный слой противоионов примыкает к заряженной поверхности частицы дисперсной фазы и имеет толщину порядка диаметра гидратированного противоиона – . Противоионы адсорбционного слоя, определяющие заряд поверхности или поверхностный потенциал , связаны с заряженной частицей двумя видами сил – адсорбционными и электростатическими. Связь является настолько прочной, что эти противоионы перемещаются вместе с частицей, не отрываясь от нее, образуя с ней единое кинетическое целое – коллоидную частицу. В адсорбционном слое падение потенциала происходит линейно.

За адсорбционным слоем следует диффузионный. Противоионы диффузионного слоя притягиваются к частице только электростатическими силами (которые с увеличением расстояния от частицы уменьшаются). Поэтому эти противоионы менее прочно связаны с частицей, в результате теплового движения и взаимного отталкивания они способны перемещаться в пределах слоя и при движении частицы отрываются от нее. На противоионы диффузионного слоя большое влияние оказывает тепловое (броуновское) движение. Причем его действие тем сильнее, чем дальше от заряженной поверхности находятся противоионы. Так как противоионы в диффузионном слое распределены неравномерно, то и падение потенциала в нем происходит по криволинейной зависимости до 0.

При движении частицы двойной электрический слой разрывается. Взаимное перемещение дисперсной фазы и дисперсионной среды относительно друг друга происходит не по границе твердого тела с жидкостью, а по плоскости скольжения (смещения) А-А, проходящей вблизи границы адсорбционного и диффузионного слоев противоионов в жидкой фазе (рис. 30).

Потенциал, возникающий по плоскости скольжения, определяет скорость перемещения фаз при наложении электрического поля, т.е. является причиной электрокинетических явлений. Этот потенциал получил название электрокинетического, или дзета–потенциала ().

Состояние системы, соответствующее нулевому значению –потенциала, называют изоэлектрической точкой (ИЭТ).

Теория Штерна удовлетворительно объясняет результаты экспериментальных исследований, поэтому на сегодняшний день является основной.