1. Теория Гельмгольца-Перрена (1878 г.)

По теории Гельмгольца-Перрена ДЭС состоит из 2-х плоских слоев зарядов, расположенных на молекулярном расстоянии один от другого. Эту модель можно рассматривать как конденсатор, одна обкладка которого связана с твердой поверх-ностью, а другая – противоположно заряженная обкладка находится в жидкости.

Рис.1. Схема ДЭС (а) и зависимость j от расстояния (б) от твердой поверхности

Ионы первого слоя удерживаются на твердой поверх-ности за счёт Ван-дер-Ваальсовых сил, а ионы второго слоя – за счёт электростатического взаимодействия с потенциалопределяющими ионами. В соответствии с теорией плоского конденсатора, происходит линейное падение потенциала в пределах данного слоя. Модель не учитывает тепловое движение противоионов, не объясняет электрокинетические явления.

2. Теория Гуи-Чепмена (1915 г.)

Согласно этой теории противоионы находятся под влиянием электростатических сил притяжения к потенциалопределяющим ионам и сил диффузии (теплового движения ионов), приводящих к размыванию внешнего слоя ионов, т.е. диффу-зионному расположению ионов в дисперсионной среде. Эта теория вводит понятие

Рис.2. Схема строения ДЭС (а) и зависимость j (б).

диффузный слой. Изменение потен-циала в пределах ДЭС происходит по экспоненциальному закону. Однако, она ионы рассматривает как точечные заряды, не имеющих собственных размеров и которые неограниченно близко подходят к поверхности; она не учитывает специфическую адсорбцию ионов; не объясняет явление перезарядки частиц ДФ.

3. Теория Штерна (1924 г.)

По этой теории часть противоионов находится на молекулярном расстоянии от поверхности и образует слой, подобный слою Гельмгольца (адсорбционный слой). Оставшаяся часть противоионов находится в растворе и в результате теплового движения образует диффузный слой (слой Гуи). В адсорбционной части ДЭС наблюдается линейное снижение потенциала по мере удаления от границы раздела фаз. В диффузной части ДЭС потенциал снижается плавно по экспоненциальному закону. Штерн ввёл представление о конечных размерах ионов, учёл специфичность адсорбции.

Рис.3. Схема строения ДЭС (а) и зависимость j (х) в теории Штерна

В настоящее время теория Штерна развивается и используется для объяснения таких явлений, как коагуляция растворов, флотация, ионный обмен, перезарядка коллоидных частиц.

Электротермодинамический (j) и электрокинетический (дзета-) потенциалы

При соприкосновении твердого тела с жидкостью, за счёт адсорбции ионов на границе твердое тело-жидкость образуется ДЭС. Образование ДЭС приводит к появлению потенциалов на границе раздела фаз. Адсорбированные ионы придают поверхности свой заряд и создают поверхностный или j-потенциал (см.рис.3 б). Величина этого потенциала определяется числом зарядов адсорбированных ионов. Её невозможно измерить, но можно вычислить по уравнению В.Нернста:

где F = N_A.e - число Фарадея; - постоянная Больцмана; а_о - активность ионов на поверхности, а а_р- активность ионов в растворе.

Электротермодинамический (фи-) потенциал не зависит от концентрации электролита и характеризует природу поверхности частиц. Его можно рассмат-ривать как работу, которую нужно совершить, чтобы перенести элементарный заряд от бесконечно удаленной точки объема раствора к поверхности твердой фазы.

Разность потенциалов между подвижным (диффузным) и неподвижным (адсорбционным) слоями называют дзета- или электрокинетическим потенциалом (см. рис. 3б). Он представляет собой электрический потенциал на границе гранула-жидкость и является потенциалом поверхности скольжения. z-потенциал можно рассматривать как работу, необходимую для переноса элементарного заряда из бесконечно удаленной части объема раствора к поверхности скольжения. Знак дзета-потенциала совпадает со знаком j-потенциала. z-потенциал является частью электротермодинамического потенциала и всегда меньше его.

z-потенциал зависит от скорости движения фаз, вязкости раствора, природы фаз, концентрации электролита. Величина дзета-потенциала связана с числом противоионов в диффузном слое. С увеличением толщины (общего заряда противоионов) диффузного слоя дзета-потенциал повышается. Величину z-потенциала можно измерить, т.к. он относится к частице и обуславливает её подвижность в электрическом поле. По направлению частиц к электроду можно определить и знак дзета-потенциала.

Величина и знак j- и z-потенциалов зависят от температуры, разведения, добавления электролитов, рН среды. В области умеренного повышения температуры кинетическая энергия противоионов увеличивается, в результате чего часть их из адсорбционного слоя переходит в диффузный слой. Это увеличивает толщину диффузного слоя, значит и дзета-потенциала. В дальнейшем наблюдается

Рис.4. Зависимость j- и z-потенциалов от температуры и разведения

десорбция потенциалопределяющих ионов и уменьшение j- и z-потенциалов. В результате устой-чивость золя снижается. При разведении вследствие понижения общей концентрации электролита во всем объеме раствора часть противоионов переходит в диффузный слой. В результате z-потенциал сначала увеличивается. Далее наблюдается десорбция потенциалопре-деляющих ионов, что приводит к снижению j- и z-потенциалов.

Благодаря наличию z-потенциала на границе скольжения одноименно заряженные частицы электростатически отталкиваются друг от друга. Это снижает агрегацию и осаждение частиц. Таким образом, z-потенциал является одним из основных факторов (количественной мерой) агрегативной устойчивости коллоидных растворов.