Практикум_KX_2004

Диэлектрическая проницаемость среды εc , Ф/м (в единицах СИ), связана с безразмерной (относительной) величиной диэлектрической проницаемости ε соотношением:

где ε0 = 8,85 10–12 Ф/м − электрическая константа.

Для водных растворов ε = 81.

Линейная скорость движения частицы (или границы золь − дисперси-

где h − величина смещения, м;

t − время, в течение которого происходило смещение, с.

После преобразования уравнения (5.1) с помощью выражений (5.2), (5.3), (5.4) получают расчетную формулу

Для водных растворов ξ, В, можно рассчитать по уравнению:

Электроосмосом называют движение дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы (пористого материала − диафрагмы) под влиянием внешней разности потенциалов.

Электроосмос можно наблюдать в U −образной трубке, наполненной дисперсионной средой; в нижней части трубки находится пористый материал, например кварцевый песок, являющийся дисперсной фазой.

Под действием внешнего электрического поля жидкость перетекает сквозь пористую диафрагму из одного в другое колено трубки, уровни жидкости смещаются на некоторую высоту h , м.

Причиной движения жидкости является наличие двойного электрическоо слоя (ДЭС) на границе между пористым материалом и жидкостью.

62

Под действием внешнего электрического поля ионы диффузного слоя, непрочно связанные с поверхностью, смещаются в сторону противоположно заряженного электрода. Ионы плотного слоя, относительно прочно связанные с поверхностью, практически остаются неподвижными. Ионы диффузного слоя, перемещаясь в капилляре, увлекают за собой жидкость (дисперсионную среду), заполняющую капилляр. Смещение жидкости, вызываемое движением ионов диффузного слоя, происходит не по границе твердое тело − жидкость, а по поверхности скольжения, расположенной на некотором расстоянии от твердой поверхности.

С помощью электроосмоса можно определить знак заряда твердой поверхности на границе с жидкостью, а также, измеряя скорость течения жидкости, вычислить потенциал на поверхности скольжения − электрокинетический потенциал ξ, В.

Из условия стандартного режима электроосмотического движения жидкости в плоском капилляре, когда можно пренебречь кривизной поверхности, Смолуховский получил уравнение, связывающее скорость течения жидкости и ξ–потенциал:

где η − вязкость дисперсионной среды, Па с;

u − линейная скорость дисперсионной среды, м/с;

E− напряженность электрического поля, В/м;

ε− относительная диэлектрическая проницаемость;

ε0 =8,85 10−12 Ф/м.

Для практического применения более удобна формула, в которую входят величины, измеряемые непосредственно в опыте. Ее можно получить, если выразить линейную скорость u через объемную скорость q , м3/с, а E − через силу тока J , A:

63

где r и L − радиус и длина капилляра, м;

J− сила тока, A;

γ− удельное сопротивление дисперсионной среды, Ом м;

ω − удельная электропроводность дисперсионной среды, Ом–1 м–1; U − разность потенциалов на концах капилляра, В.

После преобразований можно получить расчетную формулу:

Все величины, входящие в уравнение (5.10), измеряют экспериментально. В уравнении отсутствуют размеры капилляра, что позволяет измерить объемную скорость течения жидкости не через единичный капилляр (практически трудновыполнимо), а через систему капилляров, т.е. пористую диафрагму.

Входящие в уравнение (5.10) вязкость жидкости η, диэлектрическая проницаемость ε и удельная электропроводность ω измеряются для жидкости вне дисперсной системы. Это вносит некоторые ошибки в измеряемуювеличину ξ–потенциала, так как внутри диафрагмы в тонком слое около поверхности эти величины могут иметь другие значения.

Особенно велика ошибка в значении ξ–потенциала, если не учесть увеличение электропроводности жидкости в тонких капиллярах диафрагмы по сравнению с жидкостью в объеме раствора, связанное с повышенной концентрацией ионов вблизи поверхности (в пределах ДЭС).

Порядок выполнения работы по изучению электрофореза

Измеряют влияние концентрации электролита на электрофоретическую скорость движения границы золь – вода, причем измерения начинают со свежеприготовленного золя.

В две колбы наливают по 50 см3 золя, добавляют в каждую из них объем электролита V для получения указанной в задании концентрации.

Заданная концентрация электролита в золе C , кмоль/м3, определяется:

где C0 − исходная концентрация электролита, кмоль/м3;

V − объем раствора электролита, см3, который необходимо добавить к 50 см3 золя для получения заданной концентрации.

Отсюда

Добавление электролита к золю следует производить непосредственно перед измерением электрофоретической скорости, чтобы избежать коагуляции золя при длительном хранении. Измерение электрофоретической скорости проводят с помощью прибора Кена, изображенного на рис. 5.1.

Рисунок 5.1 − Схемa прибора Кена

Прибор представляет собой U −образную трубку, оба колена 1 которой градуированы (деления в единицах длины); к ней припаяна узкая стеклянная трубочка 2 с воронкой 3 и краном 4.

Прибор перед измерением тщательно промывают и ополаскивают дистиллированной водой. При закрытом кране 4 в воронку 3 наливают такое количество золя, чтобы вытеснить воздух из нижней части узкой трубки 2 и крана 4 и заполнить их золем. Открывают оба крана 5 и кран 4, золь вытесняет воздух, поднимаясь по U −образной трубке, причем выше кранов 5 золя быть не должно. Закрывают осторожно оба крана 5, а в оба колена U −образ-

65

ной трубки наливают по 15 см3 дистиллированной воды (боковой жидкости). При заполнении прибора необходимо следить за тем, чтобы в нем не оставалось пузырьков воздуха. Приготовленный таким образом прибор за-

крепляют на штативе.

В оба колена U −образной трубки помещают электроды, предварительно тщательно промытые водой, и закрепляют их так, чтобы нижние концы находились примерно на 3 – 4 см от верха градуированной трубки, после чего оба крана 5 открывают.

Затем осторожно приоткрывают кран 4, чтобы золь медленно натекал в U −образную трубку. При этом необходимо получить резкую границу окрашенный коллоидный раствор – вода, для чего золь следует вводить осторожно и медленно.

Когда граница золь – вода окажется на расстоянии 3 − 4 см от нижнего края электродов, а электроды будут находиться в воде, кран закрывают. Подключают электроды к источнику постоянного тока, отмечая при этом полюса в обоих коленах U −образной трубки.

Наблюдая за перемещением границы золь – вода, определяют знак заряда коллоидных частиц и записывают данные в табл. 5.1.

Таблица 5.1 − Экспериментальные данные по электрофорезу

U ,B; t , мин; η, Па с; ε; ε0 = 8,85 10–12 Ф/м.

В отчете приводят способ получения коллоидного раствора, реакции образования трудно растворимого соединения и формулу мицеллы; при этом основываются на экспериментально установленном знаке заряда коллоидных частиц. По вычисленным значениям строят график зависимости ξ–потенци- ала от концентрации электролита C .

66

5.1. Задания к лабораторной работе 5

Определить зависимость ξ–потенциала золя от концентрации электролита. Знак – означает, что частица движется к аноду, а знак +, что частица движется к катоду.

68

69

Порядок выполнения работы по изучению электроосмоса

Работа заключается в определении направления и скорости электроосмоса через пористые диафрагмы, изготовленные из различных веществ. Измерения проводят для нескольких значений концентрации электролита. По экспериментальным данным рассчитывают ξ–потенциал и строят график зависимости ξ–потенциала от концентрации С добавленного электролита.

Для определения скорости и направления электроосмотического потока в зависимости от вида исследуемого объекта применяют приборы различного типа. При исследовании порошковых диафрагм скорость электроосмоса можно измерить на приборе, изображенном на рис. 5.2.

Рисунок 5.2 − Схема для измерения электроосмоса:

1 − электроды; 2 − соединительные склянки с раствором медного купороса; 3 − агар-агаровые мостики; 4 − сосуд для электроосмоса; 5 − стакан с дисперсионной средой (фильтратом); 6 − пористая диафрагма из исследуемого материала; 7 − капилляр со шкалой; 8 − миллиамперметр; 9 − переключатель; 10 − источник тока

70