Электрические свойства коллоидных систем.

1. Понятие об электрокинетических явлениях.

В 1808г. профессор МГУ Рейсс, изучая процесс электролиза воды, попытался разделить продукты электролиза. Для этого он заполнил среднюю часть U-образной трубки электролизера толченым кварцем, т.е. создал капиллярно-пористую перегородку, и подал на электроды постоянное внешнее напряжение. Он обнаружил, что вода, перемещается в сторону отрицательного электрода. То есть уровень воды в левом колене будет повышаться до тех пор, пока разность уровней в обоих коленах не достигнет определенного значения. При разности потенциалов на электродах равной в 100В, разность уровней составила 20 см. Поскольку в отсутствии капиллярно-пористой перегородки движения воды не наблюдалось, последовал вывод, что вода при контакте с кварцем приобретает положительный заряд.

Электроосмос (электроэндоосмос) – это явление переноса дисперсионной среды через неподвижную капиллярно-пористую перегородку под действием внешнего электрического поля.

Также было установлено, что количество жидкости прошедшей через диафрагму пропорционально силе тока, и при постоянной силе тока не зависит от площади сечения (толщины) диафрагмы. Процесс идет с постоянной скоростью.

Далее Рейсс поставил следующий опыт: во влажную глину погрузил 2 стеклянные трубки, заполненные водой, ввел электроды и подал на них постоянное напряжение. Обнаружил, что вода перемещается к отрицательному электроду и одновременно частицы глины перемещаются к положительному электроду. Это явление получило название электрофореза или катафореза.

Электрофорез – это явление переноса частиц дисперсной фазы под действием внешнего электрического поля.

Роль капиллярно-пористой перегородки здесь играла влажная глина. Таким образом, при наличии неподвижной капиллярно-пористой перегородки под действием постоянного электрического поля передвигается дисперсионная среда (электроосмос), и дисперсная фаза (электрофорез).

Было естественным предположить возможность осуществления противоположных процессов, т.е. получить разность потенциалов на капиллярно-пористой перегородке при движении через нее дисперсионной среды или частиц дисперсной фазы. В дальнейшем были обнаружены два явления, противоположные электрофорезу и электроосмосу.

В 1859г. Квинке обнаружил явление, противоположное электроосмосу, названное потенциалом течения (эффект Квинке). Квинке наблюдал возникновение разности потенциалов при течении или продавливании воды и водных растворов через разнообразные пористые материалы (глина, дерево, песок, графит и др.) или так называемую пористую перегородку, по обеим сторонам которой находятся электроды. Итак, запишем:

Потенциал течения – это явление возникновения разности потенциалов на электродах, расположенных по обеим сторонам неподвижной капиллярно-пористой перегородки при продавливании через нее жидкости.

Данное явление характерно и для живых организмов.

Например: при движении крови в артериях возникает небольшой потенциал течения ( 0,001-0,002В) имеющей и важное биологическое значение. Одна из волн, наблюдаемых на электрокардиограммах, обусловлена этим потенциалом.

В 1878г. Дорн – открыл явление, обратное электрофорезу, названное потенциалом седиментации или эффекта Дорна.

Дорн обнаружил, что при осаждении частиц, например, песка в воде, возникает электродвижущая сила между двумя электродами, введенными в разные места столба жидкости. Т.е. запишем:

Потенциал седиментации – это явление возникновения потенциалов на электродах, расположенных на разной высоте в сосуде, в котором происходит оседание частиц дисперсной фазы.

Таким образом, рассмотренные явления – электроосмос, электрофорез, потенциал течения и потенциал седиментации – объединяют под общим названием – электрокинетические явления. Эти явления находят широкое применение.

Электроосмос: для ускорения сушки торфа, древесины и др., дубления кожи, очистки дисперсионной среды золей, также воды, пропитки материалов различными композициями, в электрохимических приборах и т.д.

Электрофорез: для получения чистого каолина на глинистой суспензии, нанесения покрытий на поверхности сложных конфигураций, например, грунтовки кузовов автомобилей, для обезвоживания, в медицине как метод введения лекарственных средств в организм человека и т.д.

С явлениями потенциала течения и потенциала седиментации приходится считаться в производствах, в которых осуществляется транспортировка жидкостей (перекачка технологических растворов, жидкого топлива), осаждение суспензий и эмульсий при разделении фаз и т.д.

Очевидно, что причина электрокинетических явлений заключена в противоположности знаков зарядов твердой частицы и жидкости дисперсной среды.

Вспомним, что в соответствии со II законом термодинамики на границе двух фаз самопроизвольно должны протекать процессы, снижающие избыточную поверхностную энергию. Если соприкасающиеся фазы содержат заряженные частицы (электроны, анионы, катионы) или хотя бы полярные молекулы, то результатом этих процессов становится образование на границе фаз двойного электрического слоя (ДЭС).

2. Пути образования ДЭС.

Возможны два принципиально разных пути образования ДЭС.