1. Електрокінетичні явища

Частинки твердої дисперсної фази, які зависли в рідині, знаходяться в безперервному хаотичному русі. Завдяки надлишку вільної енергії вони при стиканні повинні злипатися і врешті-решт утворювати осад. Однак уже 130 років тому навчилися готувати стійкі колоїдні системи, які руйнуються лише за певних умов. Пояснити це можна, лиш допустивши, що дисперсні частинки в цих колоїдних розчинах покриті якимось захисним шаром, який перешкоджає їх злипанню. Можливі різні механізми захисної дії. Найбільше значення має подвійний електричний шар (ПЕШ), що виникає при адсорбції іонів електролітів на поверхні кристалів твердої фази.

При стиканні частинок, що мають однойменно заряджені поверхневі шари іонів, вони відштовхуються і не злипаються. Вирішальний внесок для встановлення будови ПЕШ мали дослідження електрокінетичних явищ. Назвали їх кінетичними тому, що під дією електричного поля спостерігались ті чи інші переміщення речовин у дисперсних системах.

П ерші спостереження були проведені професором Московського університету Ф.Ф.Рейсом (1808р.) ще за 50 років до появи поняття «колоїдний розчин». У посудину з вологою глиною він встановив дві скляні трубки, у які насипав трохи кварцового піску і налив води до однакового рівня. Опустивши у воду електроди і підключивши постійний електричний струм з різницею потенціалів близько 100В, Рейс спостерігав дивні явища, які назвав катафорезом:

Рис.21. Схема досліду Рейсса.

1 – суспензія частинок глини; 2 – вода; 3 – шар кварцового піску; 4 –переміщення частинок глини ; 5 – напрям переміщення води ; 6 – волога глина.

1. В анодній трубці вода над шаром піску стала каламутною внаслідок появи суспензії глинистих частинок.

2. У катодній трубці рівень води почав підвищуватись, а в анодній – відповідно зменшуватись.

Цих два явища одержали назву пізніше електрофорез та електроосмос. Потім ці явища спостерігали при вивченні типових золей.

Електрофорезом називається рух частинок дисперсної фази відносно дисперсійного середовища під дією зовнішнього електричного поля.

Е лектрофорез спостерігається експериментально по переміщенню межі поділу (колоїдний розчин – дисперсійне середовище) до одного з електродів; він може також привести до виділення на одному з електродів (або біля нього) дисперсної фази.

Рис.22. Прилад для спостереження електрофорезу.

В найпростішому варіанті електрофорез можна вивчати (наприклад, для визначення заряду золей) за допомогою приладу, схема якого приведена на рис.22.

Електроосмосом називається переміщення дисперсійного середовища через пористу масу під впливом різниці потенціалів.

При електроосмосі не спостерігається руху частинок піску, оскільки вони, на відміну від випадку глини, дуже великі і важкі. Зате рухається вода, і в результаті виникає помітна (до 20см) різниця рівнів у колінах трубки. Об’єм перенесеної рідини прямо пропорційний різниці потенціалів.

Рис.23. Схема приладу для вивчення електроосмосу:

1 – електроди; 2 – рідина; 3 – кварцовий пісок.

Електрокінетичні явища можна пояснити існуванням на поверхні дисперсної фази подвійного електричного шару, тобто виникненням між дисперсною фазою і дисперсійним середовищем різниці потенціалів, яка зумовлена адсорбцією іонів. Таким чином, на частинках виникає два стрибка потенціалу. Один з них більший за величиною, виникає між потенціал визначаючими іонами і проти іонами. Цей стрибок потенціалу називається електричним або термодинамічним потенціалом і позначається літерою φ. Другий потенціал виникає на межі між дифузним і адсорбційним шаром та позначається ξ. Цей потенціал визначає швидкість переміщення фаз і має назву електрокінетичний потенціал або дзета-потенціал. Дзета-потенціал має знак заряду твердої поверхні, він менший від φ-потенціалу.

Термодинамічний потенціал φ визначається природою колоїдної системи і залежить від умов її приготування.

ξ-потенціал суттєво змінюється залежно від умов, у яких знаходиться система, особливо від концентрації електролітів у дисперсійному середовищі.

Електрокінетичні явища находять велике практичне застосування.

На електрофоретичному осадженні частинок золей, суспензій або емульсій на металевих поверхнях основане нанесення захисних і декоративних покриттів. Так одержують міцні і гарно пофарбовані поверхні при електрофоретичному осадженні фарб і лаків, електроізоляційні гумові плівки при осадженні частинок каучуку з його водних дисперсій (латекси), плівки оксидів лужноземельних металів на вольфрамових нитках радіолампи. Дуже перспективним є одержання напівпровідникових матеріалів шляхом електрофоретичного одержання тонких плівок на тверду основу.

За допомогою електроосмосу перед висушуванням можна видаляти залишкову воду з різних осадів. Застосування електроосмосу при фільтрації значно прискорює цей процес.

Електроосматичними фільтрпресами називаються фільтр – преси, робота яких основана на фільтруванні під тиском в поєднанні з електроосмосом.

Електрокінетичні явища – електрофорез і електроосмос - широко використовуються в техніці. На електрофорезі основана робота електрофільтрів – димовловлювачів, його використовують при зневодненні нафти, в медицині – для введення в організм ліків у колоїдному стані. А електроосмос застосовують для видалення води із насичених нею твердих роздрібнених тіл, для просочення пористих матеріалів розчином речовин, що збільшують якість цих матеріалів, для очищення і опріснення води, очищення ліків, дублення шкіри. Електроосмосом висушують стіни споруд, гребель, дамб, сипких будівельних матеріалів тощо.