X. Электроповерхностные свойства дисперсных систем

10.1. Значение электрокинетических явлений в природе и технике

Электрические явления протекают на поверхностях частиц любого размера, в том числе и на макроповерхностях. Так, при трении листа бумаги о поверхность стола бумага прилипает к столу вследствие образования заряда поверхности (трибоэлектрический эффект). В дисперсных системах значение электроповерхностных явлений особенно велико, что связано с существованием особой группы явлений, называемых электрокинетическими. К электрокинетическим явлениям относятся электрофорез, электроосмос, потенциал течения и потенциал седиментации. Этот раздел тесно связан с такими разделами коллоидной химии, как образование ионно-стабилизованных систем, адсорбция, структурообразование, устойчивость и коагуляция, и имеет большое теоретическое значение.

Электрокинетические явления имеют большое значение в биологии. Растительные и животные организмы состоят из капиллярных систем, по которым со значительной скоростью циркулируют электролиты – кровь, лимфа, клеточный сок. Вследствие этого в организме возникают биотоки. В электрокардиографии существенную роль играет потенциал течения. Один из пиков электрокардиограммы (зубец Q) обуславливает потенциал течения крови в коронарной системе. Электрокинетические явления проявляются также в геологии (электроразведка), почвоведении и агрохимии.

Техническое применение электрокинетических явлений непрерывно возрастает вследствие возросшей электрификации всех отраслей техники и успехов слаботочной техники. Электроосмос применяется для осушки и укрепления грунта, извлечения нефти, осушки зданий, обезвоживания древесины, для очистки коллоидных растворов от примесей (например, при получении ), очистки глицерина, сахарных сиропов, желатина, при дублении кожи, Электрофорез применяют для обезвоживания торфа, очистки глины и каолина, осаждения каучука и латекса. Знание электрокинетических свойств поверхностей и управление ими необходимо в технологии для безопасного ведения процесса. Так, например, потенциал течения, возникающий при перекачивании технических жидких углеводородов по трубам, приводит к образованию высокой разноcти потенциалов, что служит причиной взрывов и пожаров. Для предотвращения этого применяют анодное заземление трубопроводов.

Основными теоретическими вопросами этого раздела являются теория ДЭС и электрокинетического потенциала.

10.2. Причины возникновения заряда на поверхности в лиозолях.

Заряд поверхностей возникает при их взаимодействии благодаря избыточной поверхностной энергии. Поверхностная энергия стремится уменьшиться вследствие ориентации молекул, ионов и электронов в поверхностном слое. Это приводит к увеличению электрической энергии системы и к возникновению заряда. Существует несколько механизмов возникновения заряда поверхности.

1. В поверхностном слое происходит адсорбция, причем могут адсорбироваться и ионы, несущие заряд, например, ионы ПАВ.

2. Достройка поверхности кристалла потенциалопределяющими ионами. Так поверхность в избытке достраивается ионами . Ионы входят в состав кристаллической решетки и определяют потенциал поверхности, поэтому они оказываются потенциалопределяющими. Потенциалопрелеящими ионами могут быть также ионы, изоморфные ионам, входящим в состав дисперсной фазы, или органические ионы с большой адсорбционной способностью. Ионы, несущие противоположный заряд (противоионы) частично притягиваются поверхностью, частично находятся в растворе. Ионы гидратируются сильнее, чем ионы , поэтому они больше переходят в раствор, что вызывает дополнительный заряд поверхности.

3. Причиной образования поверхности может быть диссоциация молекул, находящихся на поверхности с переходом одного из ионов в раствор. Так, поверхность частицы гидролизуется и заряжается отрицательными ионами.

Рис. 10.1. Схема образования заряда на поверхности.

Формула мицеллы золя имеет следующий вид:

4. Заряд может образоваться вследствие эмиссии электронов поверхностью металла, которая заряжается положительно:

Отмеченные выше механизмы образования заряда поверхности являются электронно-ионными. Но существует механизм образования заряда поверхности, не связанный с переходом электронов или ионов.

5. Поверхность может заряжаться вследствие ориентации дипольных молекул в поверхностном слое. Так заряжаются поверхности диэлектриков, приведенные в контакт и подвергаются трению.

На поверхности происходит пространственное разделение заряда между фазами, то есть образуется двойной электрический слой (ДЭС), состоящий из потенциалообразующих ионов и противоионов. Между поверхностью и раствором образуется разность потенциалов. Потенциал поверхности по мере удаления от поверхности частиц вглубь дисперсионной среды уменьшается, так как он компенсируется находящимися в растворе ионами противоположного знака.

Потенциальная энергия иона в любой точке определяется значением электрического потенциала в этой точке , заряда граммиона и равна , где – валентность иона, - заряд электрона. Вероятность нахождения иона в данной точке пропорциональна множителю Больцмана , то есть распределение ионов по мере удаления от поверхности больцмановское, так же, как распределение молекул в поле силы тяжести согласно гипсометрическому закону. Самопроизвольное образование ДЭС происходит вследствие уменьшения свободной энергии поверхности, которое приводит к увеличению электрической энергии.