Коагуляция. Электрокинетические явления Методическое пособие

УДК 54 ББК 24

Х82

Хорунжий, В.В.

Х82 Коагуляция. Электрокинетические явления. Методическое пособие для студентов по общей химии. / В.В. Хорунжий, И.А. Сраго. – СПб.: СПбГПМУ, 2018. – 28 с.

ISBN 978-5-907065-39-0

Настоящее методическое пособие предназначено для более углублённого изучения студентами процессов коагуляции и электрокинетических явлений. Рассмотрены двойной электрический слой и строение мицеллы, прямые и обратные электрокинетические явления, Даны методики решения задач различных типов. Особое внимание уделено значению вышеописанных явлений в биологических процессах.

Использование этого пособия облегчит усвоение сложных разделов курса, углубит знания в фундаментальных дисциплинах, повысит профилизацию предмета.

Методические разработки предназначены для студентов, обучающихся по специальностям: лечебное дело – 31.05.01, педиатрия - 31.05.02, стоматология - 31.05.03, медицинская биофизика - 30.05.02, медико-профилактическое дело - 32.05.01.

Авторы:

профессор, к.х.н. В.В. Хорунжий, доцент, к.х.н. И.А. Сраго

Рецензенты:

заведующая кафедрой биологической химии СПбГПМУ, профессор Л.А.Данилова,

профессор СПб государственного технологического института (ТУ), И.В. Шугалей.

УДК 54 ББК 24

Утверждено учебно-методическим советом Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации

2

Двойной электрический слой. Строение мицеллы

Дисперсные частицы на своей поверхности, в связи с особенностями строения кристаллической решётки, а также при образовании гидратной оболочки, имеют заряд. Образование коллоидных систем, как правило, происходит в средах, содержащих электролит. При взаимодействии коллоидных частиц с электролитами соблюдается правило Панета-Фаянса: на твердой поверхности преимущественно будут адсорбироваться ионы, имеющие общую с данной поверхностью атомную группировку (или изоморфную с ней).

Рассмотрим процесс образования золя AgI при сливании равных объемов растворов KI и AgNO3, причем c(AgNO3) > c(KI). Уравнение этого процесса таково:

KI AgNO3 AgI KNO3 .

избыток

Ионные пары AgI объединяются в нерастворимые частицы, в которых ионы Ag+ и I- образуют кристаллическую решетку. Небольшой избыток AgNO3 служит стабилизатором, сообщающим устойчивость коллоидным частицам. При эквивалентных количествах растворов KI и AgNO3 кристаллы быстро достигают размеров частиц, превосходящих коллоидные, и выпадают в осадок, а ионы Ag+ за счет специфической адсорбции будут продолжать достройку кристаллической решетки (согласно правилу Панета-Фаянса), адсорбируясь непосредственно на твердой фазе, которая является ядром коллоидной частицы.

Схема строения мицеллы:

Ионы Ag+ называются потенциалопределяющими и образуют внутреннюю обкладку двойного электролитического слоя. Внешнюю обкладку образуют ионы противоположного знака (анионы I-), которые адсорбируются под влиянием, как электрического поля, так и уже слабо действующих адсорбционных сил.

Необходимо отметить, что представление о двойном электрическом слое, как о плоском конденсаторе, было предложено Гельмгольцем (1879), получило дальнейшую разработку в трудах Гуи (1910г.), Чепмена (1913), Штерна (1924), а также советских ученых А.А. Фрумкина и Б.В. Дерягина. Следует обратить внимание на значение величины заряда гранулы, как на основной фактор кине-

3

тической устойчивости коллоидных растворов. Для сохранения электронейтральности, необходима компенсация заряда гранулы, что и происходи в диффузионном слое за счет электростатистического взаимодействия с противоионами NO 3 . Весь получившийся комплекс носит название мицеллы.

Рис. 1. Формула мицеллы коллоидного раствора иодида серебра при c(AgNO3) > c(KI).

Легко рассчитать заряд образовавшейся коллоидной частицы – гранулы:

+n – (n – x) = +n – n + x = +x.

Если же c(AgNO3) < c(KI), то гранула приобретает отрицательный заряд, а устойчивость золю придают потенциалопределяющие анионы I-:

KI AgNO3 AgI KNO3 ,

избыток

схема строения мицеллы:

,

формула мицеллы:

Рис. 2. Схема и формула мицеллы коллоидного раствора иодида серебра при c(AgNO3) < c(KI).

Рассмотрим, какие потенциалы возникают в мицелле на примере золя иодида серебра, формула мицеллы которого {m[AgI]nAg+(n - x)NO 3 }x+xNO 3 .

Общий термодинамический потенциал φo возникает на границе раздела фаз твердое вещество – раствор, величина его практически не изменяется при из-

4

менении ионной силы раствора, а абсолютное значение зависит от первоначально адсорбировавшегося количества потенциалопределяющих ионов

Рис. 3 и 4. Падение электрических потенциалов в мицелле.

Заряду гранулы (+х) соответствует дзета-потенциал ξ – электрокинетический, возникающий на границе раздела «адсорбционный слой – диффузионный слой» исключительно при движении частиц. Следовательно, в толще адсорбционного слоя происходит падение потенциала до значения ξ. Дальнейшее падение потенциала до 0 наблюдается в диффузионном слое (рис. 3 и 4). Величина ξ-потенциала является одной из основных характеристик коллоидной частицы. Из различных факторов, влияющих на её величину, особо следует отметить действие индифферентных электролитов, введение которых практически не изменяет общий термодинамический потенциал, но сжимает двойной электрический слой и уменьшает ξ-потенциала.

Рис. 5. Изменение электрокинетического потенциала и толщины диффузного слоя при добавлении индифферентного электролита.

Из рис.5 видно, что с возрастанием концентрации индифферентного электролита толщина диффузионного слоя уменьшается, величина ξ-потенциала падает. Кривая 4 соответствует отсутствию диффузионного слоя, поскольку все противоионы входят в адсорбционный слой. Заряд гранулы равен нулю, вся система является неустойчивой. Реально же, система нестабильна уже при значениях ξ-потенциала ~30 мВ, что соответствует критическому ξ-потенциалу (кривая 3).

5

Задача № 1. Написать формулу мицеллы по реакции, схема которой

K4[Fe(CN)6)] + FeCl3(изб.) →.

Решение.

3K4[Fe(CN) 6] + 4FeCl3(изб.) → 12KCl + Fe4[Fe(CN)6]3↓, {m[Fe4[Fe(CN)6]3]nFe3+3(n-x)Cl−}3x+3xCl−.

Задача № 2. Написать формулу мицеллы по реакции, схема которой

K4[Fe(CN)6)](изб.) + FeCl3→.

Решение. {m[Fe4[Fe(CN)6]3]n[Fe(CN)6]4−4(n-x)K+}4x−4xK+.

Задача № 3. Золь AgI получен сливанием 60 мл 2·10 -3 М раствора KI и 20 мл 8·10-3 M раствора AgNO3. Написать формулу мицеллы.

Решение.

n(KI) = 2·10-3· 60·10-3 = 1,2·10-4 моль < n(AgNO3) = 8·10-3·20·10-3 = 1,6·10-4

моль => AgNO3 в избытке.

{m[AgI]nAg+(n-x)NO 3 }x+x NO 3 .

Электрокинетические явления

Причиной возникновения электрокинетических явлений является существование двойного электрического слоя на границе гранула – диффузный слой и легкость смещения гранулы относительно диффузного слоя.

В электрическом поле при наложении внешней разности потенциалов двойной электрический слой разрывается по границе (поверхности) скольжения. При этом гранула движется к одному полюсу, а противоионы диффузного слоя, увлекая за собой гидратные оболочки, – к другому (рис.6).

Рис. 6. Движение коллоидной частицы и ионов диффузного слоя при наложении внешнего электрического поля.

Прямые электрокинетические явления

Электроосмос

Электрокинетические явления были открыты профессором Московского университета Ф.Ф. Рейсом в 1808г. Исследуя явления электролиза воды, Рейс

6

заполнил среднюю часть U-oбразного электролизера. При этом он заметил, что приложение внешнего напряжения к электродам (≈100 В) приводит к перемещению воды в сторону отрицательного полюса (рис. 7).

Рис. 7. Электроосмос. Опыт Ф.Ф.Рейса.

Явление переноса жидкости (дисперсионной среды) относительно неподвижной дисперсной фазы под действием внешнего электрического поля получило название электроосмоса. Скорость электроосмоса v определяется уравнением

v I ,

где ε – диэлектрическая проницаемость среды; ε0 = 8,85·10-12 Ф/м – электрическая постоянная; I – сила тока, А; χ – удельная электропроводимость раствора, См/м; η – вязкость среды, Н·с/м2; ξ – электрокинетический потенциал, В.

Электрофорез

В 1809 г. Ф.Ф. Рейсс изучал электрофорез на глине. Он показал, что при наложении разности электрического потенциала на электроды, опущенные в заполненные водой стеклянные трубки, воткнутые в кусок сырой глины, жидкость в трубке с положительным полюсом мутнела, а в трубке с отрицательным полюсом вода оставалась прозрачной (рис.8).

Явление перемещения частиц дисперсной фазы в электрическом поле относительно неподвижной дисперсионной среды получило название электрофоре-

за.

7

Квинке в 1859 г. и, являясь обратным электроосмосу, носит название потен-

циала течения.

Рис. 9. Потенциал протекания. Опыт Квинке.

Потенциал оседания

Рис. 10. Потенциал оседания. Эффект Дорна.

Явление, обратное электрофорезу, было открыто Дорном в 1878 г. При оседании частиц кварца в воде регистрировалась разность потенциалов, возникающая между двумя электродами, расположенными на разной высоте (рис. 10). Это явление было названо потенциалом оседания. Подобный эффект

9