Сущность понятия двойного электрического слоя

Изучение заряда гранулы имеет большое значение для объяснения и предсказания поведения дисперсных систем. Слой ионов вокруг агрегата и противоинов адсорбционного и диффузного слоев представляет собой двойной электрический слой. Число положительных и отрицательных зарядов в нем одинаково, поэтому мицелла электронейтральна.

Между ядром и раствором возникает полный электрический потенциал или термодинамический (фи)-потенциал. Это – разность потенциалов, созданных всеми положительными и отрицательными зарядами мицеллы. Другой потенциал, называемый электрокинетическим, или (дзета)-потенциалом, существует между слоем ионов адсорбционного слоя и диффузного слоя. Электрокинетический потенциал назван так потому, что диффузный слой подвижен и может смещаться при движении мицеллы. Этот потенциал составляет часть термодинамического потенциала и всегда меньше его (рис. 5.11).

Слой ионов вокруг агрегата образуется за счет электростатического взаимодействия и химических связей с ионами агрегата. Это прочный и плотный слой, сохраняющийся при изменении условий существования гранулы (если, конечно, дисперсная система не разрушается). Адсорбционный слой противоионов вокруг ядра образуется также за счет электростатического взаимодействия с ионами потенциалобразующего слоя и благодаря взаимодействиям типа сил Ван-дер-Ваальса. Это плотный слой, и ионы в нем закреплены довольно прочно. Ионы диффузного слоя не закреплены прочно и могут смещаться и даже отрываться от гранулы в электрическом поле или при движении мицеллы.

Электрокинетический потенциал снижается по мере удаления от поверхности гранулы (или твердого тела). На -потенциал влияет концентрация ионов в растворе. При увеличении концентрации ионов -потенциал уменьшается за счет перехода части ионов диффузного слоя в адсорбционный слой или благодаря замене ионов с зарядом одного знака на ионы с зарядом другого знака.

Рис. 5.11. Сопоставление термодинамического ( ) и электрокинетического ( ) потенциалов

Добавление ионов, особенно многозарядных, может привести к их адсорбции в таких количествах, что произойдет перезарядка гранулы и изменение знака электрокинетического потенциала. Когда все противоионы находятся в адсорбционном слое, -потенциал становится равным нулю. Подобное состояние называется изоэлектрическим состоянием (изоэлектрической точкой).

С увеличением концентрации ионов электрокинетический потенциал уменьшается, проходит через изоэлектрическую точку, изменяет знак и снова увеличивается. В изоэлектрическом состоянии электрокинетический потенциал равен нулю, и в этом состоянии дисперсные системы наименее устойчивы, частицы укрупняются, выпадают в осадок, и из ядра, играющего роль кристаллического зародыша, вырастает кристалл. Лиофильные системы в отличие от лиофобных в изоэлектрическом состоянии устойчивы (кроме некоторых белков).

Знак заряда гранулы может меняться при смене растворителя, а также при изменении среды раствора. У амфотерного гидроксида алюминия знак заряда гранулы в кислотной и нейтральной средах положителен и потенциалопределяющими являются ионы алюминия; в слабощелочной среде знак заряда гранулы становится отрицательным (потенциалопределяющие ионы – алюминат- или гидроксид-ионы, противоионы – катионы). Смена знака заряда происходит при переходе через значение рН, соответствующее изоэлектрической точке.

Знак заряда коллоидной частицы устанавливается по направлению ее движения к соответствующему электроду при пропускании постоянного электрического тока. Знак заряда может быть определен другим очень простым способом – по характеру взаимодействия окрашенных коллоидных частиц с целлюлозой бумаги. В водной среде капилляры целлюлозы заряжаются отрицательно, а находящаяся в них вода – положительно. Вдоль полоски фильтровальной бумаги (целлюлоза) по ее капиллярам могут передвигаться частицы, имеющие тот же заряд, что и целлюлоза, т.е. отрицательно заряженные частицы. Положительно заряженные частицы задерживаются на стенках капилляров в самом начале пути.

При исследовании бесцветного коллоидного раствора пропитанную раствором бумагу следует высушить и обработать реактивом, окрашивающим коллоидные частицы. Подобный анализ представляет собой вариант хроматографического анализа на бумаге.

Положительный знак заряда имеют гранулы гидроксидов Fe(OH)₃, Al(OH)₃, Cr(OH)₃, Ti(OH)₃ и др. Отрицательный знак заряда имеют гранулы некоторых гидроксидов, оксидов MnO₂, SnO₂, SiO₂, золи кремниевой кислоты, сульфидов As₂S₃, PbS и других, коллоиды высокодисперсных металлов Au, Ag, Pt и серы S, а также глинистые коллоиды и гуминовые кислоты почвы.