Физическая и коллоидная химия (Теория и практика). В 2 частях. Ч.2. Учебное пособие

происходит обычно за счет диссоциации молекул поверхностного слоя, например,

Ионы Са2+ переходят в раствор, а ионы SiO32– связаны с кристаллической решеткой стекла и создают на поверхности капилляра отрицательный заряд, то есть являются потенциалопределяющими ионами.

В центр U-образной трубки (рис. 7.5, а) помещена мембрана 2, представляющая собой мелкопористый стеклянный фильтр, капилляры которого заполнены электропроводящей жидкостью (водой). Рассмотрим сечение одного капилляра мембраны (рис. 7.5, б).

Около стенок капилляра формируется ДЭС(см. рис. 7.5, б). Пленка жидкости вместе с противоионами адсорбционного слоя «прилипает» к стенке капилляра и остается неподвижной, а противоионы диффузной части ДЭС под действием внешнего электрического поля перемещаются к отрицательному электроду. Противоионы гидратированы, следовательно, вместе с ними к электроду двигается и дисперсионная среда (вода).

Перемещение дисперсионной среды относительно стенок капилляров происходит по плоскости скольжения. В результате в левой части трубки уровень жидкости понижается, а в правой–

61

седиментации – в процессе оседания заряженных частиц возникает разность потенциалов.

Возникновение потенциала течения. Возникновение разно-

сти потенциалов при перемещении дисперсионной среды через капиллярно-пористую перегородку есть явление возникновения потенциала течения. Как и в других электрокинетических явлениях, в этом случае перемещение жидкой дисперсионной среды относительно дисперсной фазы происходит по плоскости скольжения. При движении жидкости под действием внешнего источника, например, насоса за нею увлекаются противоионы диффузионного слоя. В результате концентрация противоионов перед пористой перегородкой и после нее будет сильно различаться. Если по обеим сторонам пористой перегородки поместить электроды, то включенный в цепь вольтметр покажет разность потенциалов, которую называют потенциалом течения.

В случае электроосмоса дисперсионная среда перемещается под действием электрического поля, а в случае возникновения потенциала течения, напротив, в результате внешнего воздействия заряженная дисперсионная среда перемещается , что приводит к возникновению разности потенциалов.

Потенциал течения возникает при перекачке по трубопроводам технологических растворов, жидкого топлива, и так же как потенциал седиментации может являться причиной пожаров и взрывов. Возле стенок трубопровода формируется ДЭС, диффузионная часть которого уносится вместе с перекачиваемой жидкостью. В результате концентрация противоионов в начале трубопровода снижается, а в конце увеличивается; возникает потенциал течения. Протяженность трубопроводов велика, поэтому значение потенциала может быть достаточно большим. Потенциал течения тем выше, чем больше вязкость жидкости и расстояние между электродами и чем меньше электропроводность перекачиваемой жидкости. Например, при перекачке нефти, которая имеет низкую электропроводность и высокую вязкость, потенциал течения может достигать сотен вольт. Поэтому для предот-

вращения возгорания нефти необходимо принимать меры для предотвращения возникновения потенциала течения.

63

Лабораторная работа № 21. Определение электрокинетического потенциала

гидрофобного золя

Цель работы: овладение методикой измерения электрофоретической скорости и определения электрокинетического потенциала гидрофобных золей, установление знака заряда частиц золя и влияния концентрации добавляемого электролита на величину z-потенциала.

Реактивы: золь гидроксида железа, полученный гидролизом хлорида железа (III); водный раствор гидроксида калия с концентрацией 1 моль/м3; водный раствор хлорида калия с концентрацией 1 моль/м3 (контактная жидкость).

Теоретические сведения

Электрофоретическую скорость (υ, м/с) определяют как отношение величины смещения границы раздела зольконтактная жидкость (S, м) ко времени пропускания тока (t, с):

64

τ

Зная скорость перемещения коллоидных частиц и свойства дисперсионной среды динамическую вязкость (m, Па×с) и диэлектрическую проницаемость (e) и используя уравнение(7.3), рассчитывают z-потенциал по формуле:

где υ – электрофоретическая скорость, м/с; Е – разность потенциалов внешнего электрического поля, В; L – расстояние между электродами, м; e0 = 8,85×10-12 Кл/(В×м).

Золь гидроксида железа Fe(OH)3 получают в результате реакции гидролиза хлорида железаFeCl3 при длительном нагревании. Поскольку в растворе в избыточном количестве присутствуют ионы Fe3+, коллоидная частица золя имеет положительный заряд. При введении в раствор неиндифферентного электролита КОН, происходит адсорбция ионов ОН– на агрегате и заряд ядра понижается, электрический и электрокинетический потенциалы при этом понижаются.

Порядок выполнения работы

Электрофоретическую скорость определяют на лабораторной установке, приведенной на рис. 7.8.

1. Приготовить несколько смесей золя гидроксида железа и водного раствора КОН с концентрацией1 моль/м3. Для этого в мерные колбы на 100 см3 налить указанные преподавателем объемы раствора КОН концентрацией 1 моль/м3 (от 2 до 10 см3), довести содержимое колб до метки золем и перемешать.

65

Рис. 7.8. Прибор для определения электрокинетического потенциала: 1 – U-образная трубка;

2 – напорная воронка; 3 – зажим;

4 – коммуникация с участком из стеклянной капиллярной трубки; 5 – электроды; 6 – золь;

7 – контактная жидкость

2. Заполнить установку нужно так, чтобы в обоих коленах U–образной трубки 1 сформировалась четкая граница раздела золь - контактная жидкость. Для этого необходимо наполнить напорную воронку 2 рабочей смесью, открывая зажим 3, и, непрерывно доливая смесь в воронку, промыть установку для удаления газовых пробок из соединительных трубок. Закрыть зажим и, нажимая на участки коммуникации4 из резинового шланга, убедиться в отсутствии пузырьков воздуха.

3.Из U-образной трубки пипеткой удалить всю рабочую

смесь, залить в трубку контактную жидкость(водный раствор КCl с концентрацией 1 моль/м3). Высота слоя контактной жидкости должна составлять приблизительно 1/3 высоты трубки. Затем осторожно открывать зажим, обеспечивая медленную подачу рабочей смеси в U-образную трубку и поддерживая режим поршневого вытеснения контактной жидкости. При этом непрерывно подливать рабочую смесь в напорную воронку. Заполнение закончить после того, как контактная жидкость достигнет уровня на 1,0 - 1,5 см ниже кромок трубки. Закрыть зажим.

4.Вложить электроды 5, зафиксировать положение границы раздела в левом и правом коленахU-образной трубки, включить источник постоянного тока и снять показания вольтметра Е.

Через определенное время пропускания токаt (указывается преподавателем) измерить величину смещенияS границы раздела золь 6 - контактная жидкость 7 в правом и левом коленах, определив предварительно знак заряда правого и левого электродов.

66

5. С помощью шнура измерить расстояниеL между концами электродов по периметру трубки. Измерить температуру и определить динамическую вязкость воды m (табл. 7.1).

Таблица 7.1

6.По направлению движения границы раздела в коленах к отрицательному и положительному электродам сделать заключение о знаке заряда частиц исследуемого золя и записать формулу изучаемого золя гидроксида железа.

7.Вычислить значения электрофоретической скорости по уравнению (7.5) и электрокинетического потенциала по уравнению (7.6) для обоих колен трубки. Полученные результаты записать в табл. 7.2.

8. Построить график зависимости z-потенциала от концентрации КОН и объяснить полученный результат.

Контрольные задания

1.Написать формулу мицеллы золя гидроксида железа. Указать причину возникновения заряда на поверхности ядра этой мицеллы, потенциалопределяющие ионы и противоионы.

2.Описать структуру двойного электрического слоя(ДЭС) по теории Штерна.

3.Объяснить влияние индифферентных электролитов на величину электрокинетического потенциала.

67

4.Объяснить влияние неиндифферентных электролитов на -ве личину потенциала ядра и электрокинетического потенциала.

5.Объяснить влияние добавляемого раствора гидроксида калия на величину и знак электрокинетического потенциала золя гидроксида железа.

Расчетно-практическая работа № 7.

Определение структуры ДЭС и величины электрокинетического потенциала гидрофобного золя

При взаимодействии вещества А с избытком вещества В образуется гидрозоль вещества С (табл. 7.3, Х).

1.Написать формулу мицеллы золя и обозначить ее составляющие, как показано на рис. 7.3; схематично изобразить строение двойного электрического слоя (ДЭС) в соответствии с теорией Штерна, как показано на рис. 7.2.

2.Рассчитать электрокинетический потенциал частиц золя, если при электрофорезе, протекающем под действием внешнего электрического поля напряженностьюЕ, они переместились на

расстояние S за 15 мин в среде с вязкостью m и относительной диэлектрической проницаемостью e (табл. 7.4, У).

3.Показать и объяснить изменение структуры ДЭС при добавлении в раствор золя индифферентных и неиндифферентных электролитов (табл. 7.3, Х). Привести схематические графики, показывающие зависимость электрокинетического потенциала от концентрации добавляемых электролитов.

4*. Определить знак заряда иона-коагулятора данного золя

ивид коагуляции(концентрационная или нейтрализационная) при добавлении каждого электролита.

5.Написать формулу мицеллы золя, образующегося при избытке вещества А.

68

69

Задачи по теме «Электрические свойства дисперсных систем»

Пример решения задач

Пример. В раствор хлорида алюминияAlCl3 медленно при перемешивании вводится гидроксид калияKOH и образуется золь Al(OH)3, написать формулу мицеллы полученного золя. Рассчитать электрокинетический потенциал частиц золя, если при электрофорезе, протекающем под действием внешнего электрического поля напряженностью 300 В/м за 20 мин они переместились на 15 мм в среде с вязкостью1×10-3 Па·с и относительной диэлектрической проницаемостью 80,4.

Решение.

Записываем уравнение реакции образования гидрозоля:

AlCl3 + 3КОН = Al(OH)3 + 3КСl.

Устойчивый золь получается при условии избытка одного из реагентов. По условию задачи – это AlCl3. Следовательно, потенциалопределяющими ионами являются ионыAl3+, противоионами – Cl–. Мицеллярная формула золя имеет вид:

Частица

1444444442444444443

Мицелла

где m – количество молекул в агрегате, n – количество потенциалопределяющих ионов; x – количество противоионов в диффузном слое. Электрический заряд коллоидной частицы– положительный. При электрофорезе частицы золя будут перемещаться к отрицательному электроду.

70