Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Поверхностные явления и свойства дисперсных систем. Учебное пособие
.pdf
41
Уровень жидкости вырос в колене с положительным электро-
Рис. 2.9. Состояние системы до (а)
и после (б) наложения электриче-
ского поля, где дисперсная фа-
за; дисперсионная среда
а б
дом, следовательно, частицы дисперсной фазы заряжены отрицательно.
Метод электрофореза применим только для высокодисперсных
систем. В грубодисперсных системах крупные частицы будут не
столько передвигаться к электроду, сколько оседать. Для их исследования используют метод электроосмоса.
Электроосмос – явление перемещения дисперсионной среды
относительно неподвижной дисперсной фазы под действием электрического поля.
Проведем эксперимент. Возьмем U–образную трубку, поместим в нее пористую мембрану. Она представляет собой специально
подготовленный порошок, например, кварцевый песок и выступает в
качестве дисперсной фазы. Свободное пространство между частицами
порошка образует капилляры. Затем заполним трубку дисперсионной
средой. Приложим электрическое поле (рис. 2.9).
ДЭС образуется на внутренней поверхности капилляров в результате избирательной адсорбции ионов электролита или из-за диссоциации молекул вещества, из которого состоят стенки капилляра
(рис. 2.10). В электрическом поле противоионы диффузного слоя перемещаются к противоположно заряженному электроду. Эти ионы за
счет сил трения увлекают за собой поток жидкости, т.е. диафрагма
действует как насос, перекачивая жидкость из одной части сосуда в
другую (при подведении разности потенциала). Плотный слой не перемещается в электрическом поле. Диффузный слой вместе с потоком
устремляется к катоду.
Рис 2.10. Строение ДЭС в капилляре
42
2.4.2 Обратные электрокинетические явления
Рис. 2.11. Эффект Дорна
Рис. 2.12. Эффект Квинке
Потенциал седиментации (потенциал осаждения или эффект Дорна) заключается в возникновении разности потенциалов при
осаждении частиц ДФ под действием силы тяжести. Это явление обратное электрофорезу.
При осаждении частиц суспензии под действием силы тяжести
ионы диффузного слоя, слабо связанные с твердой фазой, отстают от
заряженных частиц за счет сил трения (рис. 2.11). Поэтому в верхней
части остается избыток противоионов диффузного слоя, а в нижней
части - частицы с плотным слоем, заряженные противоположно. В ре-
зультате возникает разность потенциалов и гальванометр покажет
возникновение тока.
Например, в суспензии глины верхний электрод зарядится положительно, а нижний – отрицательно.
Потенциал течения (эффект Квинке) – явление обратное
электроосмосу, состоящее в возникновении разности потенциалов при
продавливании через пористую диафрагму жидкости под действием
внешней силы.
Если пропускать под давлением жидкость через диафрагму, то
ионы диффузного слоя за счет сил трения перемещаются вместе с потоком жидкости (рис. 2.12). Ионы плотного слоя остаются у твердой
поверхности, поэтому возникает разность потенциалов.
2.4.3 Применение электрокинетических явлений
Полученные различными способами коллоидные системы (КС)
содержат в своем составе низкомолекулярные примеси (молекулы,
43
ионы). Для их удаления применяют методы диализа, электродиализа и
Рис. 2.13. Установка для диализа коллоидных систем
Скорость диализа
ди ал
:
i
KC
мембр
ди ал
D
V
S
, (2.5)
ди ал
ди ал
Рис. 2.14. Установка для
электродиализа колло-
идных систем
ультрафильтрации.
Метод диализа был открыт в 1861г. Т. Грэмом. Диализатор состоит из двух камер разделенной полупроницаемой мембраной (пергамент, целлофан, керамические фильтры - тонкодисперсный материал). Эта мембрана проницаема для молекул примесей и непроницаема
для частиц ДФ (рис. 2.13).
где S
– площадь мембраны; VKC – объем коллоидной системы; Di –
мембр
коэффициент диффузии i – го компонента примеси.
Скорость диализа
растет, если: 1) увеличить S
мембр
2) уменьшить VKC ; 3) при росте температуры возрастает Di , а следовательно, и
; 4) если осуществляется постоянное обновление
дисперсионной среды.
Электродиализ. Электродиализатор состоит из трех камер. В
боковые камеры помещается чистая дисперсионная среда, в серединную камеру – коллоидная система, подлежащая очистке. Между камерами располагаются полупроницаемые мембраны.
;
Под действием электрического поля осуществляется ускоренный переход ионов электролита (здесь они выступают в роли примесей) из коллоидной системы в дисперсионную среду. Если система
сильно концентрированная, то ее сначала необходимо подвергнуть
44
диализу, а лишь затем электродиализу (из-за возможного перегрева
системы).
Ультрафильтрация – под внешним давлением Р (либо под вакуумом в приемнике) дисперсионную среду КС «продавливают» через
мелкодисперсный или ультрамикродисперсный фильтр, при этом возрастает концентрация ДФ. При добавлении новой порции дисперсионной среды концентрация ДФ снижается. Таким образом, проведение
нескольких циклов «концентрирования - разбавления» позволяет достичь необходимой степени очистки КС.
Комбинирование методов очистки используют при очистке воды, производстве искусственных волокон и изготовлении лекарственных препаратов. Например, аппарат искусственная почка – сочетание
диализа с ультрафильтрацией.
2.5 Тестовые задания по электрокинетическим явлениям
1. Выберите один правильный ответ. Явления, в которых обнаруживается взаимосвязь между относительным перемещением фаз в
дисперсных системах и электрическим полем, называются
1) электрохимические 2) электрокинетические
3) электротехнические
2. Выберите правильные ответы. К электрокинетическим явлениям относят:
1) электрофорез 2) электроосмос
3) адсорбцию 4) флотацию
3. Выберите правильные ответы. К электрокинетическим явлениям НЕ относят:
1) флокуляция 2) коалесценция
3) электрофорез 4) электроосмос
5) эффект Квинке 6) эффект Дорна
4. Выберите правильные ответы. К прямым электрокинетическим явлениям относят:
1) электрофорез 2) электроосмос
3) эффект Квинке 4) эффект Дорна
5. Выберите правильные ответы. К обратным электрокинетическим явлениям относят:
1) электрофорез 2) эффект Квинке
3) эффект Дорна 4) электроосмос
45
6. Выберите один правильный ответ. Явление перемещения
частиц дисперсной фазы относительно неподвижной дисперсионной
среды под действием электрического поля называется
1) электрофорезом 2) электроосмосом
3) эффектом Квинке 4) эффектом Дорна
5) флотацией
7. Выберите один правильный ответ. Явление перемещения
дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы в
капиллярно-пористых материалах под действием внешнего электрического поля называется _____
1) электрофорезом 2) электроосмосом
3) эффектом Квинке 4) эффектом Дорна
8. Выберите один правильный ответ. Причина электрокинетических явлений:
1) наличие двойного электрического слоя на поверхности раздела фаз
2) флотация частиц дисперсной фазы
3) светорассеяние в коллоидных системах
9. Выберите один правильный ответ. Причины электрокинетических явлений - наличие _____ на поверхности раздела фаз
1) двойного электрического слоя
2) адсорбционного слоя
3) диффузного слоя
10. Выберите один правильный ответ. Явление перемещения
дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы в
капиллярно-пористых материалах под действием _____ называется
электроосмосом
1) электростатического взаимодействия
2) внешнего электрического поля
3) теплового движения
11. Выберите один правильный ответ. Потенциал _____ (эффект Квинке) - возникновение электрического потенциала при механическом продавливании жидкости через капилляры или пористую
мембрану
1) седиментации 2) течения
3) коагуляции 4) фильтрации
46
12. Выберите один правильный ответ Явление возникновения
электрического потенциала при механическом продавливании жидкости через капилляры или пористую мембрану называется_____.
1) электроосмосом 2) эффектом Дорна
3) эффектом Квинке 4) электрофорезом
13. Выберите один правильный ответ. Потенциал _____ ( эффект Дорна), - возникновение потенциала под влиянием движущихся
частиц относительно неподвижной жидкости или при оседании частиц
1) течения 2) седиментации
3) фильтрации 4) коагуляции
14. Выберите один правильный ответ. Явление возникновение
потенциала под влиянием движущихся частиц относительно неподвижной жидкости или при оседании частиц называется _____
1) эффектом Дорна 2) эффектом Квинке
3) электроосмосом 4) электрофорезом
15. Выберите правильные ответы. Возникновение заряда в коллоидных системах с жидкой дисперсионной средой вызвано _____
1) диссоциацией молекул, составляющих поверхностный слой
твердой фазы
2) избирательной адсорбцией ионов определенного знака из
дисперсионной среды
3) снижением поверхностного натяжения на границе раздела
фаз
4) повышением поверхностного натяжения на границе фаз
16. Выберите один правильный ответ. Чья теория строения
двойного электрического слоя базируется на следующих предпосылках: двойной электрический слой состоит из ионов одного знака,
прочно связанных с дисперсной твердой фазой и эквивалентного количества противоионов, присутствующих в дисперсионной среде?
1) Гельмгольца-Перрена 2) Гуи-Чапмена
3) Штерна
17. Выберите правильные ответы. Кто из ученых занимался
теорией строения двойного электрического слоя?
1) Юнг 2) Дюпре
3) Гиббс 4) Штерн
5) Гуи-Чепмен 6) Гельмгольц
18. Выберите один правильный ответ. Двойной электрический
слой по теории Штерна состоит из _____
1) адсорбционного и диффузного слоев
47
2) адсорбционного и полимолекулярного слоев
3) мономолекулярного и полимолекулярного слоев
4) диффузного и полимолекулярного слоев
19. Выберите один правильный ответ. Современная теория рассматривает адсорбционный слой ДЭС (двойной электрический слой)
как слой, состоящий из
1) внутренней части (потенциалопределяющие ионы) и внешней части (противоионы)
2) размытого адсорбционного слоя и плотного диффузного
слоя
3) молекул ПАВ
4) молекул адсорбента
20. Выберите один правильный ответ. Диффузный слой ДЭС
(двойной электрический слой) состоит из
1) противоионов
2) противоионов и потенциалопределяющих ионов
3) молекул ПАВ
4) молекул адсорбента
21. Выберите один правильный ответ. Какими силами удерживается у поверхности коллоидной частицы противоионы диффузионного слоя
1) только электростатическими
2) электростатическими и силами физической адсорбции
3) только силами физической адсорбции
4) силами электромагнитного взаимодействия
22. Выберите один правильный ответ. Адсорбционный слой
представляет собой _____ слой ионов, толщина которого постоянна и
не меняется при изменении внешних условий
1) размытый 2) плотный
3) редкий 4) диффузный
23. Выберите один правильный ответ. Электрокинетический
потенциал – это потенциал
1) возникающий при явлении флотации
2) возникающий на границе скольжения между адсорбционным и диффузными слоями
3) возникающий при мономолекулярной адсорбции
48
24. Выберите правильные ответы. Величина электрокинетического потенциала зависит от
1) объема коллоидной системы 2) температуры
3) рН среды 4) давления
25. Выберите один правильный ответ. Чему равен электрокинетический потенциал в изоэлектрической точке?
1) 0 мВ 2) 50 мВ 3) 100 мВ
26. Выберите правильные ответы. Для коллоидных систем характерны электрокинетические явления:
1) электрофорез 2) потенциал течения
3) опалесценция 4) потенциал седиментации
5) броуновское движение 6) электроосмос
27. Выберите один правильный ответ. Величина электрокинетического потенциала НЕ зависит от:
1) давления 2) природы дисперсионной среды
3) рН среды 4) присутствия электролита
5) температуры
3. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
К молекулярно-кинетическим свойствам относятся:
1) броуновское движение;
2) диффузия;
3) осмотическое давление;
4) седиментация.
Молекулярно-кинетические свойства обусловлены тепловым
движением частиц.
3.1 Броуновское движение
Броуновское движение - это тепловое движение частиц в коллоидных системах, которое имеет молекулярно-кинетическую природу. Источником броуновского движения являются не внешние причины, а внутренние, присущие системе. Иными словами, движение обусловлено столкновениями молекул среды (жидкости или газа) со
взвешенными в ней частицами. В результате коллоидная частица часто
меняет свое направление и скорость. За 1 с коллоидная частица может
изменить свое направления свыше 1020 раз.
49
В 1927г. английский ботаник Броун заметил, что частицы цве-
точной пыльцы, взвешенные в воде, находящиеся в поле зрения микроскопа, непрерывно двигаются по сложным траекториям, ни на мгновение не оставаясь в покое. Это движение пытались объяснить проявлением особенностей живой материи. Но оказалось, что подобное непрерывное движение совершают и неорганические частицы (суспензии, суспензии неорганических веществ). Дальнейшее исследование
показало, что отдельные частицы движутся совершенно независимо
одна от другой; и движение происходит тем энергичнее, чем меньше
их размеры. В результате огромного числа ударов, которые наносят
молекулы среды коллоидной частице, последняя меняет свое направление и скорость весьма часто. За одну секунду коллоидная частица
может изменить свое направление свыше 1020 раз. В таких условиях
определить истинный путь коллоидной частицы невозможно, но легко
определить среднее расстояние, на которое она смещается в единицу
времени. Для этого зарисуем следующую схему, где представлена
проекция движения частицы на плоскость, при броуновском движении
(рис. 3.1).
Рис. 3.1. Проекция движения частицы на плоскость при броуновском
движении
Количественной мерой перемещения частицы является величина среднего смещения (или сдвига) частицы за некоторый про-
межуток времени t. Смещением или сдвигом частицы называют расстояние между проекциями начальной (т.1) и конечной (т.2) точек
траектории на ось смещений (ось Х). Смещения одинаково вероятны
как слева направо, так и в противоположном направлении. Поэтому
при вычислении среднего смещения за большой промежуток времени
может быть равно нулю. В связи с этим вычисляют среднюю квад-
ратичную величину всех смещений без учета направления движения:
50
n
i
22
2
2
1
t
rN
RT
A
3
2
2
Dt22
, (3.1)
где n – число смещений (число отрезков, ломанной линии), взятых для
расчета; ∆i – отдельные проекции на ось Х.
Эйнштейном и Смолуховским было показано, что среднее значение квадрата смещения частицы за время t равно:
, (3.2)
где R – универсальная газовая постоянная; T – абсолютная температура; η – вязкость среды; r – радиус взвешенных частиц; NА – постоянная Авогадро; t – время.
Из уравнения Эйнштейна–Смолуховского следует, что величина
обратно пропорциональна радиусу частицы. Это означает, что
чем крупнее частица, тем меньше величина ее смещения.
Закон Эйнштейна – Смолуховского выражается соотношением
, (3.3.)
где D – коэффициент диффузии.
С увеличением размера частицы броуновское движение ослабевает и при каких-то размерах прекращается. Для частиц размером
более 50 нм броуновское движение вообще не характерно.
3.2 Диффузия
Диффузия – самопроизвольный процесс перемещения вещества, приводящий к выравниванию его концентрации по всему объему.
Скорость диффузии при постоянных температуре и вязкости среды
зависит от величины и формы частиц.
Процесс диффузии является необратимым, он протекает до
полного выравнивания концентрации, так как хаотическое распределение частиц отвечает максимальной энтропии системы. Возвращение
системы в первоначальное состояние возможно только в результате
внешних воздействий. Термодинамически диффузия является само-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]