книги из ГПНТБ / Шептала, Н. Е. Руководство по физико-химическому анализу глинистых растворов, глин, утяжелителей и реагентов

14 и изогнутого стеклянного капилляра 18. При помощи муфты

17 микрометр соединяется с двигателем 16, скорость вращения ротора которого равна 2 об/мии. Время формирования капли нефти изменяется в пределах 5—30 с. В результате использо­ вания зубчатой передачи время формирования единичной капли увеличивается до 50 с и выше. Для компенсации веса двига­ теля служат пружины 12, 15, навитые иа стержни 11, 20. Мик­ рометр и шприц сталагмометра скобой и втулкой прикрепля­ ются к стойке штатива. В основании 4 штатива имеются уста­ новочные винты 9, 19 и уровень 8. В другом варианте прибора электрический привод для выдавливания капли из капилляра состоит из электродвигателя СД-60. С таким приводом время выдавливания капли составляет в среднем 10—15 мин. В еди­ ницу времени выдавливается одинаковый объем жидкости. Капля выдавливается медленно, равномерно, спокойно, без толчков и сотрясений. За такой большой промежуток времени успеет сформироваться адсорбционный слой на границе раздела двух жидкостей. Следовательно, было получено статическое зна­ чение поверхностного натяжения, соответствующее равновес­ ному состоянию поверхностного слоя раствора при данной кон­ центрации.

МЕТОДИКА

Шприц заполняется нефтью, нагретой до заданной темпера­ туры. В стаканчик с исследуемым водным раствором ПАВ поме­ щается изогнутый капилляр. Расстояние от копчика капилляра до уровня воды в стакане во всех опытах и при определении по­ стоянной капилляра сохраняется одинаковым. Вся система вы­ держивается в течение 1 ч при фиксированной температуре.

Включается в сеть электродвигатель. В процессе вращения ротора двигателя нефть медленно вытесняется из шприца ста­ лагмометра и формируется на кончике капилляра в виде капель. Замеряется число делений лимба микрометра между двумя со­ седними отрывами капли от капилляра. Величина межфазнога поверхностного натяжения на границе нефть — вода опреде­ ляется по формуле

G — GcP + AG;

Gcp = K (Y B— yB)n ,

где Gcp— среднее арифметическое значение межфазного поверх­ ностного натяжения; АG — среднее отклонение от величины Gcp; К — среднее значение постоянной капилляра; ув и у„ — соответ­ ственно средние значения плотности водной фазы и нефти; п — среднее значение числа делений лимба микрометра при образо­ вании одной капли нефти.

Измерения производятся не менее 20 раз. После этого вычис­ ляются значения Gcp и AG. Отклонение величины межфазного

90

поверхностного натяжения от среднего значения находится по ■формуле

А G = Д /t (ув — Ѵ н ) п + К (7в — Ѵн) А« + К (Ay. — А у н ) п,

где А — средние арифметические отклонения от среднего зна­ чения отдельных измерений при замерах постоянной капилляра, числа делений лимба микрометра и плотности водной фазы и нефти.

Постоянная капилляра определяется по поверхностному на­ тяжению на границе дистиллированная вода — криоскопический бензол.

Абсолютные ошибки при измерении поверхностного натяже­ ния при помощи термостатированного сталагмометра с электро­ приводом значительно меньше, чем при ручном выдавливании капель.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ИЗ ЭЛЕКТРООСМОСА И ЭЛЕКТРОФОРЕЗА

Многообразие свойств коллоидных систем обусловливается различными факторами, в том числе составом и строением меж­ фазных адсорционных слоев. Эти слои определяют и электриче­ ские свойства, изучение которых позволяет ближе подойти к разработке теории структурообразования, устойчивости и коагу­ ляции коллоидов.

Электрофорез — движение частиц диспергированной фазы в электрическом поле к противоположно заряженному электроду.

Электроосмос — перенос жидкости относительно твердой стенки под влиянием внешней разности потенциалов. Электриче­ ские эффекты можно наблюдать также и при движении одной фазы относительно другой.

Потенциал течения — разность потенциалов, возникающая в системе в процессе продавливания жидкости через пористую пе­ регородку.

Потенциал оседания наблюдается, когда взвешенные в жид­ кости твердые частицы направленно перемещаются под дейст­ вием силы тяжести, центробежного или ультразвукового поля.

Электрокинетические явления — явления относительного дви­ жения фаз вдоль поверхности раздела, вызванные внешним электрическим полем (электроосмос, электрофорез) или приво­ дящие к возникновению электрического поля (потенциал тече­ ния, потенциал оседания).

Изучение электрических свойств коллоидов имеет важное теоретическое значение, так как позволяет установить структуру п типичные свойства коллоидов как гетерогенных, стабилизиро­ ванных ионами систем. Вместе с тем электрические свойства коллоидов представляют большой практический интерес (обез­

91

воживают нефть, осушмвают торф, очищают от примесей водуг обезвоживают древесину и т. п.).

Теоретическое объяснение отмеченных электрических явле­ ний основано на представлении об электрическом двойном слое,, существующем на границе фаз.

На границе раздела двух фаз различного химического соста­ ва происходит перераспределение частиц (ионов, электронов) из одной фазы в другую. Это. приводит к образованию заряда на поверхности одной фазы и равного, но противоположного по знаку заряда на поверхности другой фазы. В результате на гра­ нице раздела фаз возникает двойной электрический слой. При­ чины и механизм образования электрического заряда на поверх­ ности могут быть разными: а) переход катионов из металла в раствор; б) соприкосновение двух неодинаковых растворов электролитов или двух несмешивающнхся жидкостей (вода — масло) с распределенными в них ионами; в) адсорбция на по­ верхности ионов из раствора; г) диссоциация образующихся поверхностных соединений на границе раздела твердая фаза — жидкость и др.

Поскольку в двойном слое есть свободные заряды, электро­ статический потенциал не постоянен, а изменяется от точки к точке. Возникновение двойного слоя приводит к установлению между фазами определенной по величине и направлению раз­ ности потенциалов (ср), зависящей от. свойств обеих фаз. Ска­ чок потенциала, измеренный в том случае, когда одна фаза движется относительно другой, получил название электрокинетического, или ^-потенциала.

Электрокинетический, пли ^-потенциал — это скачок потен­ циала между той частью жидкости, которая непосредственно связана с поверхностью частицы, и всей остальной жидкостью..

Чем больше толщина диффузного слоя — диффузность, тем больше величина ^-потенциала, заряда частиц и сил отталкива­ ния между этими частицами. Поэтому электрокинетический потенциал может рассматриваться как мера устойчивости кол­ лоидной системы, т. е. как мера сопротивляемости ее коагу­ ляции.

Состояние коллоидной системы, при котором электрокинети­ ческий потенциал частиц равен нулю (£= 0), называется изоэлектрическим состоянием. В этом состоянии система наименее устойчива и обладает наибольшей скоростью коагуляции.

Явления электрофореза и электроосмоса, открытые русским ученым Ф. Ф. Рейсом (1808 г.), широко применяются для изме­ рения g-потенциала коллоидных частиц, а также различных мембран и порошков.

ЭЛЕКТРОФОРЕЗ

Наблюдая электрофорез, можно определить знак коллоид­ ных частиц. Это определение проще всего осуществить погру­

92

жая электроды непосредственно в золь. Изучать количественно

средственно граничащую с золем и называемую боковой жид­

костью.

2. Наблюдением за движением частиц дисперсной системы. Кроме микроскопического изучения электрофореза сущест­

вует также микроскопическое изучение.

ПРИБОРЫ ДЛЯ МАКРОСКОПИЧЕСКОГО НАБЛЮДЕНИЯ ЭЛЕКТРОФОРЕЗА

Наиболее распространенной конструкцией прибора для на­ блюдения электрофореза является Ѵ-образная трубка с двумя кранами, внутренний просвет которых равен внутреннему диа­ метру трубки (см. рис. 17). Модификация предложена А. И. Ра-

Рис. 17. Прибор Рабиновича— Фодиман для измерения скорости электрофореза.

биновичем и Е. В. Фодиман. Имеющийся в обоих приборах верхний соединительный кран служит для выравнивания уров­ ней жидкости в правом и левом коленах.

В приборе Рабиновича и Фодиман раствор сернокислой меди наливается в боковые отпаи после того, как весь прибор запол­ нен золем и боковой жидкостью (при помощи пипетки с капил­ лярным сужением на конце). Граница между боковой жидкостью' и раствором сернокислой меди должна быть резкая. Скорость передвижения коллоидных частиц в этих приборах определяется также по положению окрашенного уровня в боковых трубках, по окружности которых нанесены миллиметровые деления. Де­

93

ления рекомендуется проводить по всей окружности стеклянной трубки, чтобы избежать ошибок при отсчете вследствие оптиче­ ского параллакса.

В приборе Рабиновича и Фодиман градуировка ниже кра­ нов; такое устройство удобно, когда боковая жидкость имеет большую плотность, чем золь, как, например, у золей мастики и латекса (суспензии каучука в водных растворах). В этом слу­ чае боковую жидкость наливают в нижнюю часть Ѵ-образной трубки, а золь — в оба верхних колена. Перед опытом приборы необходимо тщательно вымыть холодной или подогретой хро­ мовой смесью. Затем тщательно промыть водопроводной, а по­ том дистиллированной водой. Особенно важно это делать в случае электрофореза золей с положительно заряженными ча­ стицами, так как иногда ничтожные прпмесн ионов SOJмогут

вызвать коагуляцию золя во время наполнения прибора или опыта. Далее из прибора вынимают краны. Прибор и краны помещают в сушильный шкаф. После высушивания краны осто­ рожно смазывают вакуумной смазкой (можно вазелином) на некотором расстоянии от просвета во избежание загрязнения золя.

При благоприятных условиях положение передвигающейся границы может быть определено с точностью до 0,2—0,3 мм. Так как скорость передвижения границы зависит от температуры, гее точные электрофоретические измерения рекомендуется про­ водить в приборе, помещенном в термостат. Несомненно, что краны являются серьезным преимуществом приборов, однако, когда прибор по условиям опыта должен быть помещен в тер­ мостат, предпочитают приборы без кранов. Отсутствие кранов предохраняет золь от попадания в него загрязнений из термо­ стата. Источник постоянного тока — аккумуляторная батарея — должен иметь достаточно высокое напряжение (порядка 100 В, так как скорость переноса частиц при прочих равных условиях пропорциональна разности потенциалов, приложенной к элек­ тродам). Разность потенциалов измеряется вольтметром, вклю­ ченным параллельно с электродами. Миллиамперметр вклю­ чается последовательно с электродами.

в ы б о р б о к о в о й ж и д к о с т и

Подвижность коллоидных частиц и подвижность ионов, силь­ но зависит от выбора боковой жидкости. Даже если электро­ проводность боковой жидкости равна электропроводности золя, подвижность частиц можно сильно варьировать в зависимости от ионного состава боковой жидкости. Выбор боковой жидкости имеет большое значение для получения точных результатов. В результате употребления в качестве боковой жидкости чистой дистиллированной воды градиент потенциала не имеет посто­ янного значения, так как электроподвижность золя больше, чем

9 4

чистой воды, и, следовательно, падение потенциала на единицу длины в боковой жидкости больше, чем в золе.

Однако это затруднение можно обойти, измеряя электропро­ водность боковой жидкости и золя и подсчитывая значения гра­ диента потенциала. Существенно, что при употреблении воды граница золь — вода часто получается недостаточно резкой, раз­ мытой и скорость опускания границы в одном колене неодина­ кова со скоростью поднятия ее в другом.

Подбор боковой жидкости — задача трудная; в качестве бо­ ковой жидкости можно применять ультрофильтрат или дистил­ лированную воду с тем условием, что получаемые значения по­ движности коллоидных частиц при электрофорезе и подсчитан­ ные значения потенциала будут иметь сравнительную ценность.

ПРОВЕДЕНИЕ ОПЫТА II ПОДСЧЕТ ПОТЕНЦИАЛА

После заполнения прибора золем и боковой жидкостью в оба его колена погружают агаровые сифоны или металлические электроды, затем необходимо на короткое время открыть верх­ ний соединительный кран для выравнивания высоты жидкости в обоих коленах. Далее соединительный кран закрывают, пово­ рачивают боковые краны, соединяющие золь с боковой жид­ костью, и включают постоянный ток.

Как только уровень окрашенного столба жидкости достигнет нулевой точки градуировки, включают секундомер или замечают по часам с секундной стерлкой, за какое время окрашенная гра­ ница передвинется, например, на 5 мм. Результаты наблюдения заносят в таблицу по следующей форме:

Измерив гибкой проволокой расстояние / между электродами (концами агаровых сифонов, погруженными в боковую жид­ кость, или границами растворов сернокислой меди в приборе с нижней градуировкой), определяют среднюю величину гради­ ента потенциала в абс. эл. ст. ед.

Величину / необходимо измерить пять-шесть раз и взять сред­ нее значение.

Электрофоретическую скорость и вычисляют по уравнению

95

где 5 — путь, пройденный окрашенной границей за t с, в см. Зная и, можно вычислить величину ^-потенциала по урав­

и 0,00894 при температуре 25° С.

Уравнения (23) и (24) справедливы лишь при условии, что размер частиц велик по сравнению с толщиной двойного элек­ трического слоя. Для полуколлоидных систем и молекул бел­ ков, где размеры частиц могут быть того же порядка, что и толщина двойного слоя, величина электрофоретической подвиж­ ности зависит от размеров частиц. На этом основании происхо­ дит разделение сложных смесей белков и других веществ при их электрофорезе.

Если боковая жидкость имеет удельную электропроводность л'о, сильно отличающуюся от удельной электропроводности зо­ ля X, то при вычислении величины градиента потенциала необ­ ходимо знать х0 и .ѵ, а также расстояние /І( между обеими грани­ цами золя. Подсчет величины градиента потенциала в коллоид­

так как полное падение потенциала складывается из двух вели­

R = Р — ,

S

96

ЭЛЕКТРООСМОС

Электроосмос наблюдается в очень разбавленных растворах электролитов, так как в крепких растворах весь двойной слой недиффузный и расположен в слое жидкости, прилегающем к твердой фазе.

Заряд твердой фазы относительно жидкости получается или благодаря избирательной адсорбции из раствора ионов одного знака, или, чаще, вследствие ионизации.

Как и при электрофорезе, ионы, присутствуя в растворе, могут влиять на заряд частицы, причем решающее значение имеют ионы, заряженные противоположно твердой фазе. Потен­ циал твердой фазы может изменяться, особенно в процессе вве­ дения в жидкость ионов высокой валентности. Скорость и на­ правление электроосмотического переноса жидкости опреде­ ляются величиной и знаком электрокинетического потенциала на границе движущаяся жидкость — смоченная твердая поверх­ ность.

Скорость передвижения жидкости зависит от природы этой жидкости и соприкасающейся с ней твердой фазы и от прило­ женной разности потенциалов.

Причиной электроосмоса является двойной электрический слой на границе между жидким раствором и твердым телом.

Из приборов для изучения электроосмоса, применяемых в лаборатории, широко распространен прибор С. Н. Алешина.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОКИНЕТНЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ПОЧВЫ И ДРУГИХ ПОРОШКОВЫХ ТЕЛ ПО МЕТОДУ ЭЛЕКТРООСМОСА В ПРИБОРЕ С. Н. АЛЕШИНА

Прибор состоит из Ѵ-образпой стеклянной трубки А с при­ паянными к ее коленам капиллярами К, Кі (рис. 18).

(в отношении 1:25), по отношению к которому должен быть

3.Трубку с почвой вынимают из центрифуги, снимают с капилляров К, Кі резиновые колпачки и вставляют в колена трубки агаровые сифоны С, С\ (в прямоугольных стеклянных трубках). Сифоны соединяются со стеклянной трубкой резино­ выми трубочками Т,Т\.

4.Трубку А с почвой закрепляют резиновым кольцом на де­ ревянной дощечке Д, вставленной в зазор между трубкой и капиллярами К, Кі- На дощечку кладут бумажную шкалу.

98

5. Закрепляют дощечку с трубкой в лапке железного штати­ ва, опустив нижние концы агаровых сифонов С, Сі в стаканчики Ст, Ст і, наполненные раствором сернокислой меди. В эти же растворы погружают медные пластинки или проволочки, соеди­ ненные с источником постоянного тока. В цепи последовательно должен быть включен миллиамперметр.

6. Перед включением тока записывают положение менисков жидкости в капиллярах К, К\ и включают ток; силу тока в цепи (в мА) записывают. Следят за перемещением жидкости в про­ цессе электрофореза. По направлению перемещения жидкости (к плюсу или минусу) определяют знак заряда дисперсной фазы.

7. Когда перемещение жидкости в капиллярах достигнет величины 0,5—2 см, записывают это перемещение и время элек­ троосмоса, потом выключают ток.

8. Меняют полюса (медные пластинки в стаканчиках) и сно­ ва проводят электроосмос, затем вычисляют среднее значение перемещения жидкости.

9. Вычисляют электрокинетический потенциал почвы по урав­

Объем перенесенной жидкости V можно вычислить умноже­ нием перемещения I (в см) жидкости в капилляре на площадь

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ БЕНТОНИТА

ВГЛИНИСТОМ РАСТВОРЕ

Всвязи с мощным развитием глубокого бурения в нашей стране, создалась настоятельная потребность в технически про­ стых методах исследования минерального сырья, в частности стала необходимой разработка методов, позволяющих быстро

получать сведения о минеральном составе разбуриваемых гор­ ных пород и коагуляционном уровне буровых растворов. Осо­ бенно важно иметь некоторые указания в этом направлении в условиях полевой работы.

Метод красителей вырос и развивается на этой основе и ста­ вит своей задачей быстрое определение коллоидной составляю­ щей в глинистых растворах и горных породах.

V* 4* > 99