6.3. Строение двойного электрического слоя

Существует несколько теорий строения ДЭС, среди которых наиболее значительны теория Гельмгольца-Перрена (1879 г.), теория Гуи-Чэпмена (1910–1913 гг.), теория Штерна (1924 г.).

Отличие между этими теориями сводится в основном к различному толкованию структуры слоя противоионов.

Современные представления о строении ДЭС:

1. ДЭС образован потенциалопределяющими ионами, находящимися на поверхности твердой частицы и эквивалентным количеством противоионов, находящихся в дисперсионной среде вблизи поверхности твердой частицы.

2. Потенциалопределяющие ионы прочно связаны с твердой частицей хемосорбционными силами и равномерно распределены по ее поверхности.

3. Слой противоионов, компенсирующих заряд твердой поверхности, имеет сложное строение и состоит из двух частей: плотного слоя (адсорбционного слоя или слоя Гельмгольца) и диффузного слоя (слоя Гун).

4. Адсорбционный слой противоионов примыкает к заряженной поверхности твердой частицы и имеет толщину порядка диаметра гидратированного противоиона d. Те противоионы, которые находятся в этом пространстве, называются адсорбционными противоионами. Они связаны с заряженной твердой частицей двумя видами сил – адсорбционными и электростатическими. Эта связь является настолько прочной, что противоионы адсорбционно­го слоя перемещаются вместе с твердой частицей, не отрываются от нее, образуя с ней единое кинетическое це­лое – коллоидную частицу. Противоионы адсорбционного слоя равномерно распределены в слое, поэтому падение потенциала происходит линейно и равно φd.

5. Диффузный слой имеет толщину δ, его образуют те противоионы, которые находятся от заряженной поверхности на расстоянии, большем d, но в пределах расстояния δ. Эти противоионы притягиваются к части­це только электростатическими силами, а следовательно, менее прочно, чем противоионы адсорбционного слоя. При движении твердой частицы они от нее отрываются. На противоионы диффузного слоя большое влияние ока­зывает тепловое движение, которое стремится распреде­лить их равномерно по всему объему системы. Его дей­ствие тем сильнее, чем дальше от заряженной поверхно­сти находятся противоионы. Это приводит к установлению динамического равновесия в диффузном слое. Так как противоионы в диффузном слое распределены неравномерно, то и падение потенциала в нем (φ_δ) происходит также неравномерно – по какой-то криволинейной зависимости.

6. Полное падение потенциала в ДЭС называется тер­модинамическим потенциалом φ₀:

.

Таким образом, в ДЭС происходит полная компенсация суммарного заряда твердой поверхности суммарным зарядом противоионов и на границе ДЭС с дисперсионной средой потенциал равен нулю.

Схема строения ДЭС представлена на рис. 6.5.

Электрически нейтральную коллоидную частицу называют мицеллой. Строение мицеллы лиофобного золя AgCl можно представить в виде формулы:

,

где n – число молекул, образующих дисперсную частицу; m – число потенциалопределяющих ионов; (m–х) – число противоионов адсорбционного слоя; х – число противоионов диффузного слоя.

При движении частицы двойной электрический слой разрывается. Место разрыва при перемещении твердой и жидкой фаз относительно друг друга называется плоскостью скольжения или границей скольжения. На рис. 6.5 плоскость скольжения обозначена линией АВ. Плоскость скольжения лежит или на границе между диффузным слоем и адсорбционным слоем, либо в диффузном слое, но вблизи этой границы.

Рис. 6.5. Строение двойного электрического слоя

Потенциал на плоскости скольжения называется электрокинетическим потенциалом или дзета-потенциалом φ_ξ.

Дзета-потенциал являет­ся важнейшей характеристикой ДЭС: он определяет скорость относительного переме­щения дисперсной фазы и дисперсионной среды, интенсивность электрокинетических явлений, устойчивость золей и т. д.

Величина дзета-потенциала определяется:

• величиной термодинамического потенциала φ₀ и характером падения потенциала в ДЭС;

• характером движения жидкости вблизи твердой поверхности (он определяет местонахождение плоскости скольжения).