Электрические свойства коллоидных растворов

ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ГИДРОФОБНЫХ ЗОЛЯХ

Суть этих явлений состоит во взаимосвязи двух видов энергии электрической и кинетической. Явления были открыты в 1808 году профессором Московского университета Ф.Ф. Рейссом. В опыте Рейсса во влажную глину погружены две стеклянные трубки, заполненные раствором электролита. В трубках находятся два электрода. При пропускании постоянного электрического тока наблюдается движение частиц глины к аноду, жидкость в этой трубке становится мутной, появляется суспензия глинистых частиц, а уровень жидкости понижается. В катодной трубке частиц глины нет, но уровень жидкости повышается. Был сделан вывод, что частицы глины имеют отрицательный заряд, а слой воды, прилегающий к стеклу,положительный заряд. Влажная глина играла роль капиллярно-пористой перегородки. Объяснение этих процессов было дано много позже.

Теория электрокинетических явлений основана на представлении о двойном электрическом слое (ДЭС), который возникает на границе раздела двух фаз различного химического состава из-за перераспределения электрических зарядов. Для разбавленных растворов электролитов ДЭС состоит из двух частей: внутренней (плотной) и внешней (диффузной). Из теории ДЭС следует, что движение (скольжение) жидкости относительно твердой поверхности происходит не по твердой поверхности непосредственно, а несколько дальше от поверхности, а именно, за пределами неподвижного плотного слоя. Таким образом, электрокинетические явления находятся в прямой зависимости от заряда частиц и от количества ионов в диффузной части ДЭС, которые принимают участие в движении жидкой фазы. Это участие ионов в движении жидкости характеризуется падением потенциала в области диффузного слоя, т.е. электрокинетическим потенциалом.

Образование ДЭС характерно для любой границы раздела твердой фазы с раствором электролита, в частности, и для отдельных коллоидных частиц, и для объемных капиллярно-пористых тел. Роль последних играют диафрагмы, мембраны, горные породы, почвы, а также различные синтетические материалы. В капиллярно-пористых системах приграничные слои жидкости вместе ДЭС составляют значительную долю от объемной фазы жидкости. Поэтому для таких систем электрокинетические свойства проявляются наиболее существенно. Рассмотрим четыре явления, объединенных общим названием электрокинетические явления.

Электроосмосэто явление переноса дисперсионной среды через неподвижную капиллярно-пористую систему под действием внешнего электрического поля.

Электрофорезэто явление перемещения частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде под действием внешнего электрического поля.

Рассмотренные явления протекают не самопроизвольно, на их осуществление затрачивается электрическая работа. Эти явления находят широкое применение в технике: электроосмос для ускорения сушки торфяных брикетов, древесины, сырых стен зданий, заболоченных земельных участков местности; для дубления кожи; пропитки материалов различными композициями; обезвоживания намывных гидросооружений из песка и глины (дамб, плотин).

Электрофорез используют для нанесения покрытий на поверхности сложных конфигураций, например, грунтовки кузовов автомобилей; для получения чистого каолина из глинистой суспензии, для изготовления тонкого фарфора из каолина; в биологии для разделения и анализа белковых компонентов; в медицине как метод введения лекарственных препаратов в организм человека и т. д.

Во второй половине 19-го века были обнаружены явления, обратные по характеру электроосмосу и электрофорезу. Потенциал теченияэто явление возникновения разности потенциалов на электродах, расположенных по обеим сторонам неподвижной капиллярно-пористой перегородки при продавливании через нее жидкости.Потенциал седиментации(оседания)это явление возникновения потенциалов на электродах, расположенных на разной высоте в сосуде, в котором происходит оседание частиц дисперсной фазы. Таким образом, разность потенциалов возникает в результате движения частиц. Величины потенциалов течения и седиментации будут тем выше, чем больше зарядов диффузной части ДЭС окажется в подвижной части жидкости.

Практическое значение этих потенциалов весьма велико, несмотря на недостаточное техническое применение. Потенциал течения возникает при протекании природных вод через грунты и горные породы Земной коры. Геофизики используют это явление при разведке полезных ископаемых. Явление потенциала течения используется при конструировании датчиков, которые регистрируют сейсмические колебания и взрывы. При движении крови в артериях живых организмов возникают потенциалы течения (биопотенциалы), связанные с некоторыми волнами, наблюдаемыми на энцефалограммах и электрокардиограммах. При транспортировке жидкостей, при заполнении емкостей, на концах трубопроводов возникают весьма высокие разности потенциалов. Они могут оказаться причиной искровых разрядов, вызывающих взрывы и пожары.

Потенциалы седиментации являются причиной грозовых разрядов в атмосфере из-за движения и оседания облаков и туч. При отмывке резервуаров и цистерн струями воды образуются различные эмульсии и суспензии. В процессе их отстаивания также создаются высокие потенциалы, приводящие иногда к пожарам и взрывам.