2.4.Электрокинетические явления

Электрокинетические явления наблюдаются в системах, в которых на межфазной границе возникает двойной электрический слой. При наложении внешнего электрического поля, как и в растворах обычных электролитов должно происходить движение заряженных частиц к противоположным полюсам: адсорбционный слой толщиной , прочно связанный с твердой фазой (рис.2.1), движется вместе с этой фазой в одном направлении, а все компенсирующие ионы диффузной части, свободные в своем движении, - в противоположном направлении. Граница движения слоев - граница скольжения фаз - не совпадает с поверхностью раздела фаз, а несколько смещена в сторону раствора на расстояние (рис.2.1, линия АВ). Какая фаза реально будет перемещаться в электрическом поле, зависит от степени дисперсности и массового соотношения фаз. Если частицы твердой фазы очень мелкие и образуют устойчивую свободнодисперсную систему, например, коллоидные растворы, суспензии, дымы, то они способны двигаться к соответствующему электроду. Если, наоборот, твердая фаза низкодисперсна, например, порошок, песок, промежутки между которыми образуют систему капилляров, или фаза представляет собой твердое пористое тело с открытыми порами, то в движение может прийти только жидкая дисперсионная среда. Такое движение фаз в электрическом поле получило название электрокинетических явлений. К электрокинетическим явлениям относятся также возникновение разности потенциалов в результате механического передвижения твердой фазы относительно жидкости или наоборот. Потенциалы, возникающие при этих явлениях, получили названия потенциал оседания и потенциал протекания соответственно. Скорость движения той или иной фазы при электрокинетическом явлении пропорциональна потенциалу на границе скольжения. Этот потенциал назвали электрокинетическим или дзета-потенциалом ( -потенциал). Электроосмосом называется движение жидкости относительно неподвижной дисперсной фазы под действием внешнего электрического поля. Электроосмос можно наблюдать в наполненной жидкостью U-образной трубке, в нижней части которой находится пористый материал (рис.2.) При прохождении тока наблюдается перенос жидкости из одного колена в другое и устанавливается постоянная разность уровней жидкости. Причиной электрофореза является наличие двойного электрического слоя на поверхности раздела пористый материал - жидкость. На рис. 2. представлена схема строения двойного электрического слоя в одном из капилляров пористого материала. Под действием внешнего поля в сторону противоположно заряженного электрода смещается слой жидкости, включающий противоионы диффузной части. За счет внутреннего трения в движение вовлекаются слои незаряженной жидкости. В теории электроосмоса скорость движения жидкости в капиллярах определяется из уравнения

(2.7)

Выразив линейную скорость u через объемную , а Е через силу тока и решая уравнение (2.7) относительно , получим выражение для расчета электрокинетического потенциала по экспериментальным данным:

(2.8)

Рис. 2.5 Схема движения коллоидной частицы и противоионов при электрофорезе

Рис.2.6. Схема движения жидкости и противоионов при электроосмосе

Для более точного определения дзета-потенциала необходимо

учитывать поверхностную проводимость , вызываемую повышением концентрации ионов около поверхности. Поправка, учитывающая поверхностную проводимость, особенно существенна для тонкопористых капиллярных систем.

Движение частиц дисперсной фазы к заряженному электроду получило название электрофореза. Экспериментально электрофорез обнаруживается по выделению дисперсной фазы на одном из электродов или по смещению границы раздела коллоидная система-дисперсионная среда к одному из электродов. Электрофорез можно наблюдать

Контрольные вопросы

1. Назовите возможные причины возникновения двойного электрического слоя. Приведите примеры механизмов образования двойного электрического слоя в различных дисперсных системах.

2. Как называются ионы, определяющие знак заряда поверхности дисперсной фазы? знак заряда прилегающей дисперсионной среды?

3. Дайте характеристику строения двойного электрического слоя на поверхности раздела фаз. Как изменяется потенциал с расстоянием от поверхности? Объясните различный характер падения потенциала в плотной и диффузной частях двойного электрического слоя.

4. Что понимают под толщиной двойного электрического слоя? Чем определяется толщина плотной и диффузной частей двойного электрического слоя?

5. Как может влиять добавление электролита на состояние двойного электрического слоя? Что такое перезарядка поверхности? Поясните на графике.

6. Какие явления называют электрокинетическими? Поясните сущность протекающих в них процессов.

7. Чем различаются -потенциал поверхности и -электрокинетический потенциал? Как они зависят от концентрации электролита, валентности ионов и других факторов?