Електричні явища на поверхні
Поняття про електрокінетичні явища
Наявність електричного заряду на поверхні частинок дисперсних систем відкрив у 1809р. Рейсс Ф.Ф. Він показав, що при прикладенні різниці потенціалів до електродів, занурених в трубки з водою, що вставлені в кусок вологої глини, частинки глини починають рухатися в напрямку позитивного електроду. Явище переміщення частинок дисперсної фази під дією електричного поля дістало назву електрофорезу (рис.36,а).
Рейсс також помітив, якщо U – подібну трубку з кварцовим піском в нижній частині, наповнити водою і під’єднати до джерела постійного струму то рівень води в коліні з негативним електродом почне підніматися. Явище переміщення дисперсійного середовища відносно пористого тіла під дією електричного поля назвали електроосмосом (рис.36,б).
Дещо пізніше було відкрито ще два явища, які є протилежними до електрофорезу та електроосмосу. В 1878 р. Дорн зауважив, що при осіданні частинок дисперсної фази виникає електрорушійна сила між двома електродами, що розташовані на різній висоті в стовпчику рідини. Це явище дістало назву ефекту Дорна, або потенціалу седиментації (рис.36,в).
При течії рідини через пористе тіло, з обох сторін якого знаходяться електроди, на них виникає різниця потенціалів. Це явище відкрив у 1859 р. Квінке і воно було названо потенціал протікання або потенціал течії (рис.36,г).
Рис. 36. Схематичне зображення дослідів з електрокінетичних явищ.
Всі чотири описаних явища дістали назву електрокінетичні явища. Причина електрокінетичних явищ полягає в наявності протилежних зарядів на поверхні твердої фази та рідини, що її оточує, яку називаютьподвійний електричний шар (ПЕШ).
Механізм утворення подвійного електричного шару
Виникнення подвійного електричного шару на міжфазній поверхні відбувається завдяки прагненню системи позбутися надлишкової поверхневої енергії шляхом зменшення міжфазного поверхневого натягу. При цьому на міжфазній поверхні відбувається перерозподіл електронів, іонів, або орієнтація полярних молекул у поверхневому шарі. Завдяки цьому фази, що дотикаються, набувають зарядів рівних за значенням і протилежних за знаком. Утворюється подвійний електричний шар з відповідним зарядом, потенціалом і ємністю, який викликає зменшення поверхневого натягу.
Подвійний електричний шар може утворюватися в результаті вибіркової адсорбції іонів на твердій поверхні. Наприклад на поверхні кристала йодистого срібла AgI, що знаходиться в розчиніAgNO3, будуть адсорбуватися іони сріблаAg+, які добудовують кристалічну ґратку кристалу і надають поверхні позитивного заряду, ці іони називаютьпотенціалвизначальними. До потенціалвизначальних іонів електростатичними силами притягуються іони з протилежнім знаком –протиіони, в даному випадку -NO3-(рис.37,а)
Рис. 37. Схема утворення подвійного електричного шару.
Подвійний електричний шар може утворюватися в наслідок вибіркової адсорбції, навіть якщо іони, що присутні в розчині не добудовують кристалічну ґратку поверхні. Наприклад на поверхні парафіну, що знаходиться в розчині лугу, внаслідок вибіркової адсорбції адсорбуються гідроксильні іони, а іони металу утворюють шар протиіонів.
Подвійний електричний шар може утворюватися за рахунок поверхневої іонізації. Наприклад на поверхні твердих частинок діоксиду кремнію SiO2, що знаходяться у воді, відбувається гідратація деяких молекул з утворенням силікатної кислоти, яка здатна до дисоціації:
SiO2 + H2O ↔ H2SiO3
H2SiO3 ↔ SiO32- + 2H+
При цьому аніони силікатної кислоти залишаються на поверхні частинки, а іони водню переходять в розчин (рис.37,б).
Якщо міжфазна поверхня утворена речовинами, що нездатні обмінюватися зарядами, то подвійний електричний шар може бути утворений за рахунок відповідних орієнтацій молекул на поверхні. Якщо подвійний електричний шар утворюється неелектролітами, то знак заряду поверхні визначається правилом Кьона: при зіткненні двох фаз неелектролітів позитивний заряд отримує фаза з більшою діелектричною проникністю.