Электрокинетические явления
Существование двойного электрического слоя (ДЭС) ионов и скачка потенциала на границе раздела двух фаз играет важную роль не только в адсорбции ионов и ионном обмене, но и в других явлениях, важных для теории и для практики.
К ним относятся:
электродные процессы,
электрокапиллярные, электрокинетические явления,
процессы переноса вещества и энергии через коллоидные системы,
поляризационные явления, происходящие при этом,
явления, связанные с электростатическим взаимодействием коллоидных частиц, определяющих в значительной степени устойчивость дисперсной системы.
Все эти электроповерхностные явления взаимосвязаны посредством ДЭС.
Электрокинетические явления были открыты профессором Московского университета Рейссом (1808 г). Исследуя явление электролиза воды, Рейс заполнил среднюю часть U-образного электролизера (рис. 1а) толченым кварцем с целью разделения продуктов электролиза. При этом он заметил, что приложение внешнего напряжения к электродам (~100 В) приводит к перемещению воды в сторону отрицательного полюса. При прохождении тока устанавливалась постоянная и значительная разность уровней жидкости (~20 см), быстро спадавшая после выключения тока.
Это явление переноса жидкости под действием внешнего электрического поля, наблюдаемое как в капиллярно-пористых телах, так и в одиночных капиллярах, получило название электроосмоса.
|
|
а |
б |
Рис. 1. Схема опытов Рейсса по электроосмосу (а) и электрофорезу (б). |
|
Во второй серии опытов Рейсе погрузил во влажную глину две стеклянные трубки, заполнив их водой. В трубки были введены электроды. После включения постоянного электрического поля, наряду с электроосмосом наблюдалось движение отрывающихся частичек глины в противоположном направлении — к положительному полюсу (рис. 1б).
Это явление перемещения частиц дисперсной фазы в электрическом поле получило название электрофореза.
Позже были обнаружены явления, обратные по характеру причинно-следственной связи. Квинке обнаружил, что при фильтрации воды через пористую диафрагму возникает разность потенциалов между двумя ее сторонами (рис. 2а), пропорциональная давлению, под которым протекает жидкость. Подобная же разность потенциалов обнаруживается между концами одиночного капилляра при протекании через него воды или разбавленного раствора.
Это явление, обратное электроосмосу, называется потенциалом течения (протекания).
Четвертое явление, обратное электрофорезу, было открыто Дорном. При оседании частиц кварца в воде регистрировалась разность потенциалов, возникающая между двумя электродами, расположенными на разной высоте (рис. 2б).
Это явление было названо потенциалом оседания (седиментации) - эффектом Дорна. Подобный же эффект наблюдается в поле центробежной силы при центрифугировании суспензии.
|
|
|
||
|---|---|---|---|---|
|
а |
б |
|
|
|
Рис. 2. Схема возникновения токов и потенциалов течения (а) и оседания (б). |
|
||
Рис 3. Классификация электрокинетических явлений. |
Все эти явления называются электрокинетическими, поскольку в них обнаруживается взаимосвязь между электрическим полем и полем скоростей (кинетическим). Они могут быть сгруппированы попарно — либо по принципу причинности, либо по признаку объекта. На рис. 3 представлена схема классификации, где причинно-следственная связь обозначена стрелками, а объекты делятся: на системы типа Ж/Т, где жидкость перемещается как целое вдоль поверхности неподвижной твердой фазы, и системы типа Т/Ж (а также Ж/Ж, Г/Ж) с подвижными частицами дисперсной фазы. |
|||
Электрокинетические явления в течение длительного времени не могли быть объяснены. Теперь, на основании рассмотрения представлений об электрических свойствах границы раздела, можно считать причиной этих явлений существование ДЭС.
Действительно, разноименность зарядов фаз приводит в случае неподвижного пористого тела в электрическом поле к перемещению подвижных противоионов вместе с жидкой фазой к соответствующему полюсу (одноименного с твердой фазой знака). Действие же внешней механической силы (давления) вызывает вынос подвижного заряда диффузного слоя, а, следовательно, возникновение разности потенциалов. (В рассмотренных схемах (рис. 2) показано направление потоков электричества (I) для случая отрицательно заряженной твердой фазы.)