- •1. Электрохимия
- •1.1. Гальванические элементы
- •1.2. Механизм возникновения э.Д.С.
- •Определение величины электродного потенциала
- •2. Поверхностные явления и дисперсные системы
- •2.1. Поверхностные явления и адсорбция
- •Измерение поверхностного натяжения на границе раздела жидкость/жидкость
- •Обработка полученных результатов
- •2.2. Пены. Получение и свойства
- •2.3. Эмульсии и их свойства
- •2.4. Мицеллярные растворы iiab
- •2.5. Вязкость дисперсных систем.Структурная вязкость
- •2.6. Электрические свойства дисперсных систем
- •2.7. Седиментационный анализ суспензий и эмульсий
- •Практикум по курсу “Физическая и коллоидная химия”
- •Отдел оперативной полиграфии издательства *Нефть и газ"
- •11991 Гсп-1 Ленинский проспект, д.65
2.6. Электрические свойства дисперсных систем
Электрические свойства дисперсных систем обусловлены образованием двойного электрического слоя на границе раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Причинами образования двойного электрического слоя являются избирательная адсорбция ионов из раствора (дисперсионной среды) поверхностью твердых частиц (дисперсной фазы) или диссоциация поверхностных молекул дисперсной фазы.
Благодаря наличию двойного электрического слоя на границе раздела фаз в дисперсных системах наблюдаются электрокинетические явления, к которым относятся электрофорез, электроосмос, потенциал седиментации (эффект Дорна), потенциал течения. Электроосмос -явление перемещения жидкости в пористых телах под действием электрического поля. Электрофорез - явление перемещения частиц дисперсной фазы в электрическом поле. Потенциал точения - явление возникновения разности потенциалов при течении жидкости через пористые тела. Потенциал оседания - явление возникновения разности потенциалов при оседании частиц суспензии.
При перемещении дисперсной фазы и дисперсионной среды относительно друг друга независимо от причин, его вызвавших, происходит разрыв двойного электрического слое по плоскости скольжения, плоскость скольжения обычно проходит по диффузному слою, и часть его ионов остается в дисперсионной среде. В результате дисперсная фаза и дисперсионная среда оказываются противоположно заряженными. Потенциал плоскости скольжения называется электрокинетическим потенциалом или (дзета)-потенциалом. Плоскость скольжения может находиться на разном расстоянии от поверхности раздела фаз. Это расстояние зависит от скорости движения фаз, от вязкости среды, природа фаз и других факторов.
С
Рис. 35. Строение
двойного
электрического
слоя по Штерну
- расстояние, на котором находится граница скольжения между дисперсной фазой и дисперсионной средой, - электрокинетический потенциал.
Противоионы плотной и диффузной части двойного электрического слоя полностью компенсируют заряд потенциалопределяющих ионов так, что в целом коллоидная система нейтральна.
Примером двойного электрического слоя, образовавшегося вокруг частицы твердого вещества, может служить двойной электрический слой, возникающий на кристалликах иодида серебра, полученного по реакции:
в присутствии избытка иодида калия. Полученный коллоидный раствор называется золем иодида серебра, а частицы в совокупности с двойным электрическим слоем носят название мицелл. Строение мицеллы иодида серебра в избытке KI можно изобразить формулой:
В озникновение двойного электрического слоя за счет ионизации можно проиллюстрировать образованием двойного, электрического слоя на кристалликах водного золя двуокиси кремния. Молекулы SiO2, находящиеся на поверхности таких кристалликов, взаимодействуют с водой, образуя кремневую кислоту, которая ионизируется по уравнению:
Н2SiO3 .
При этом ионы остаются на поверхности частицы, придавая ей отрицательный заряд, а ионы водорода переходят в раствор. Строение мицелл SiO2 в водном растворе может быть представлено следующей формулой:
Пути практического использования электрокинетических явлений
Пути практического использования электрокинетичских явлений
В нефтепромысловой практике электроосмос может быть использован для пропитки горных пород соответствующими растворами, создания искусственной смазки из разжиженного грунта, в катодной зоне с целью ликвидации прихватов и затяжек бурового инструмента. Разрабатываются способы интенсификации добычи нефти путем использования электроосмоса в процессе вытеснения нефтей водой из коллектора. Перспективность этого направления, как и использование электроосмоса при фильтрации, связана с тем, что с увеличением дисперсности системы увеличивается ее гидравлическое сопротивление и фильтрация становится все менее эффективной. Эффективность же электроосмоса, наоборот, возрастает по мере развития диффузионных слоев с увеличением удельной поверхности.
Явление электрофореза широко изучается и находит большое практическое применение. С помощью электрофореза разделяют сложные органические и высокомолекулярные вещества, например, производят разделение и анализ белков, плазмы крови; электрофорез используется в процессах электроосаждения частиц из аэрозолей, суспензий, эмульсий. Явления электрофореза и электроосмоса могут найти применение в процессах бурения, цементажа и эксплуации скважин (в частности, для регулирования структурно-механических свойств глинистых буровых растворов, обогащения и улучшения качества глин, укрепления стенок скважин), очистки нефтепродуктов от нежелательных примесей, депарафинизации масляных фракций и во многих других случаях.
Практическое значение потенциала и токов течения весьма велико, несмотря на недостаточное еще техническое применение. Так, при протекании природных вод в земной коре через грунты и горные породы возникают потенциалы течения. Исследование этого пестественного поля" земной коры и его аномалий, обусловленных залеганием проводящих рудных тел, лежит в основе геофизической разведки полезных ископаемых (метод "естественного поля"),
Измерение потенциала течения возможно использовать для контроля состояния нефтяного коллектора в период эксплуатации, при этом можно также следить за изменениями, происходящими в коллекторе при воздействии на него различных реагентов.
При течении крови через капилляры кровеносной системы возникают биопотенциалы, в частности, один из пиков электрокардиограммы (зубец Q) обусловлен течением крови в коронарной системе. Явление потенциала протекания используют в конструкциях датчиков, регистрирующих сейсмические колебания и взрывы.
Потенциалы течения возникают и при транспортировке жидкого топлива, в частности, при заполнении резервуаров, цистерн, бензобаков самолетов, при этом на концах трубопроводов возникают весьма высокие разности потенциалов, достигающие сотен и тысяч киловольт. Столь высокие потенциалы оказываются часто причиной искровых разрядов, вызывающих взрывы и пожары. Следует отметить, что заземление трубопроводов не устраняет опасности, способствуя еще большему разделению обкладок двойного электрического слоя, а заземление приемных резервуаров снимает потенциал лишь частично, ввиду медленности стекания зарядов (от нескольких единиц до десятков секунд для моторных и реактивных топлив). Осаждение и перемещение в потоке водяных капель в резервуарах, наполненных нефтепродуктами, способно вызвать появление разности потенциалов, которая совместно с потенциалом течения может привести к взрыву и воспламенению. При этом значение потенциала седиментации может достичь величины 103 В.
Добавление весьма малых количеств веществ, диссоциирующих на ионы в неводных растворах (антистатики), как, например, алкилсалицилаты, снижает сопротивление на несколько порядков, что устраняет опасность возникновения высоких градиентов потенциала.
Лабораторная работа 6. ЭЛЕКТРОФОРЕЗ
При наложении электрического поля на систему, дисперсная фаза которой содержит заряженные частицы (гидрозоли, суспензии, латексы, эмульсии и др.), распределение ионов в диффузном слое нарушается, при этом частицы вместе с плотным слоем внешней обкладки начинают двигаться в сторону одного из электродов, а диффузный слой перемещается в противоположном направлении.
М
Рис.
36. Прибор для изучения
электрофореза
Прибор для изучения электрофореза представлен на рис. 36, Он состоит из U-образной трубки 1, соединенной в верхней части мостиком с краном 4. Колена U-образной трубки снабжены кранами 2 и 3, диаметр отверстия которых равен диаметру трубки, Ниже кранов 2 и 3 нанесена шкала с миллиметровыми делениями. Перед опытом прибор тщательно моют хромовой смесью и дистиллированной водой. Затем вынимают краны 2 и 3, протирают и смазывают нейтральной смазкой, например, вазелином. (Внимание! Во время мытья прибора, помните о кранах 2, 3, 4! Их следует придерживать пальцами рук от выпадания).
Приготовленный заранее золь заливают в прибор так, чтобы были заполнены нижняя часть прибора и оба крана. После этого краны закрывают, избыток золя выливают и оба колена прибора промывают несколько раз дистиллированной водой, затей прибор заполняют почти доверху боковой жидкостью и укрепляют на штативе.
Весьма важным является вопрос о составе боковой жидкости, посредством которой осуществляется контакт золя с электродами. Для получения более резкой границы между золем и боковой жидкостью во время опыта необходимо, чтобы электропроводность боковой жидкости была равной или немного больше электропроводности золя. Равенство электропроводностей важно еще потому, что при расчете градиента потенциала, входящего в уравнение, для вычисления величины -потенциала не вносится ошибка за счет неравномерности падения потенциала на расстоянии между электродами. Наилучшие результаты получаются при использовании в качестве боковой жидкости ультрафильтрата золя, полученного центрифугированием изучаемого золя.
После заполнения прибора боковой жидкостью (в нашем случае в качестве боковой жидкости используется дистиллированная вода) в оба колена U-образной трубки погружают стеклянные мостики 5, заполненные студнем агар-агара, содержащим раствор KCl, благодаря чему студень хорошо проводит электрический ток. Другим концом мостики 5 погружают в 10%-й раствор CuSO4, в который также опущены медные электроды 6. Благодаря применению обратимых электродов, погруженных не в золь, а боковую жидкостьt устраняется поляризация электродов, перезарядка и коагуляция коллоидных частиц у электродов.
Непосредственно перед проведением опыта открывают на короткое время кран 4, чтобы уравнять уровни жидкости в обоих коленах прибора. Затем соединяют прибор с источником постоянного тока 7 и осторожно открывают краны 2 и 3. Обратите внимание на полярность электродов, это необходимо знать для определения знака заряда частицы.
Как только уровень окрашенного столба золя достигнет нулевого деления градуировки шкалы (или любого другого, условно принятого за нулевое), включают секундомер и замечают, за какое время окрашенная граница передвинется на 5 мм. Скорость электрофореза замеряют три раза, каждый раз следя за перемещением окрашенной границы на .5 мм.
По окончании измерений прибор выключают и с помощью шнура или гибкой проволоки измеряют расстояние l между концами агар-агаровых мостиков. Расстояние l измеряется три раза и берется среднее значение полученных результатов.
Упрощенная методика определения -потенциала позволяет использовать в качестве боковой жидкости дистиллированную воду.
Значение -потенциала рассчитывается по уравнению Гельмголъца-Смолуховского для электрофореза, записанному в следующей форме:
,
где -вязкость среды, Пас (для воды при 20°С = 1,002 мПас, вязкость воды при других температурах приводится в табл. 6 приложения);
H - напряженность электрического поля, В/м ;
а - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды (а=а);
- относительная диэлектрическая проницаемость среды
(для воды = 81), 0= 8,8541012 Ас/В - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;
- скорость электрофореза, м/с;
u - электрофоретическая подвижность, м2с1В1;
f - коэффициент, учитывающий форму частиц в электрическом поле (f = 1 для цилиндрических частиц, ориентированных вдоль силовых линий электрического поля, f = 1/2 для цилиндрических частиц, ориентированных перпендикулярно силовым линиям, f = 2/3 - для сферических частиц) .
Для расчета величины электрофоретической подвижности u нужно знать напряженность электрического поля H и скорость электрофореза (среднюю величину для трех измерений):
, и , .
Электрофоретическая подвижность равна:
, .
Подставляя значение электрофоретической подвижности в уравнение Гельмгольца-Смолуховского, находят значение величины -потенциала. Экспериментальные и вычисленные величины заносят в таблицу 2.5.
Таблица 2.5 .
Экспериментальные и вычисленные величины, полученные при изучении электрофореза гидрозоля (латекса) (указать какого)
Расстояние между электродами, l= …, м
Напряжение на электродах Е, В |
Напряженность электрического поля H, В/м |
Перемещение границы раздела s, м |
Время перемещения , с |
Скорость электрофореза, , м/с |
Электрофоретическая подвижность u, м2/с/В |
-потенциал, мВ |
|
|
0,005 |
|
|
|
|
|
|
0,01 |
|
|
|
|
|
|
0,015 |
|
|
|
|
Знак заряда коллоидной частицы исследованного золя определяют по знаку электрода, к которому перемещалась окрашенная граница раздела золь/боковая жидкость (если граница раздела перемещалась в сторону положительного электрода, следовательно частицы золя имели положительный заряд, в противном случае - положительный).
После выполнения работы составляют отчет. В отчете указывают цель работы и дают краткое описание. Указывают объект исследования и приводят описание метода получения золя или латекса. Определив знак заряда частицы, записывают формулу мицеллы золя (латекса). Рассчитывают величину электрофоретической подвижности золя и значение -потенциала золя. Значения электрофоретической подвижности, рассчитанные на основании экспериментальных данных, лежат в большинстве случаев в интервале (0,5 - 5,0) 106 , что соответствует значениям -потенциала от 1,5 до 75 мВ.
При выполнении данной работы в качестве УНИРС исследуют влияние концентрации введенного в гидрозоль или латекс электролита на величину -потенциала. Строят зависимости электрофоретической подвижности и величины -потенциала от количества введенного электролита.
Объект исследования и величины концентраций используемых электролитов определяет преподаватель.