- •Предмет колоїдної хімії
- •Класифікація колоїдних систем
- •Класифікація дисперсних систем за агрегатним станом дисперсної фази та дисперсійного середовища.
- •Контрольні питання:
- •Поверхневі явища та їх класифікація
- •Класифікація поверхневих явищ
- •Поверхневий натяг
- •Поверхневий натяг деяких речовин на межі з повітрям при 298к.
- •Методи визначення поверхневого натягу
- •Метод капілярного підняття (метод Жюрена).
- •Метод максимального тиску в бульбашці (метод Ребіндера)
- •Сталометричний метод (метод Траубе)
- •Внутрішня (повна) питома поверхнева енергія. Залежність енергетичних параметрів поверхні від температури
- •Принципи формування поверхневого шару
- •Поверхневий натяг органічних речовин на межі з повітрям при 298к.
- •Адгезія, когезія
- •Змочування і розтікання
- •Розтікання рідин. Ефект Марангоні
- •Контрольні питання:
- •Дисперсність і властивості тіл
- •Характеристика величини і форми поверхні
- •Зміна питомої поверхні при подрібненні речовини.
- •Вплив дисперсності на внутрішній тиск
- •Капілярні явища
- •Дисперсність і реакційна здатність речовин
- •Тиск насиченої пари над викривленою поверхнею
- •Вплив дисперсності на температуру фазового переходу
- •Залежність температури топлення калію і срібла від дисперсності.
- •Вплив дисперсності на розчинність твердих тіл
- •Вплив дисперсності на рівновагу хімічних реакцій
- •Контрольні питання:
- •Адсорбційні рівноваги.
- •Основні поняття та визначення.
- •Природа адсорбційних сил
- •Фундаментальне рівняння адсорбції Гіббса
- •Теплота адсорбції.
- •Швидкість фізичної адсорбції
- •Адсорбція газів на однорідній твердій поверхні.
- •Ізотерма адсорбції (закон) Генрі
- •Теорія адсорбції Ленгмюра
- •Теорія полімолекулярної адсорбції бет
- •Адсорбція газів на пористих тілах
- •Класифікація пористих тіл
- •Теорія капілярної конденсації
- •Теорія об’ємного заповнення мікропор
- •Адсорбція на межі тверде тіло – рідкий розчин.
- •Молекулярна адсорбція
- •Іонна адсорбція
- •Адсорбція поверхнево активних речовин з розчину на межі рідина – газ
- •Контрольні питання.
- •Електричні явища на поверхні
- •Поняття про електрокінетичні явища
- •Механізм утворення подвійного електричного шару
- •Термодинамічні співвідношення між поверхневим натягом і електричним потенціалом
- •Теорії будови подвійного електричного шару.
- •Теорія Гельмгольца Перрена.
- •Теорія Гуї - Чепмена
- •Теорія Штерна.
- •Вплив електролітів на подвійний електричний шар.
- •Вплив індиферентних електролітів на подвійний електричний шар.
- •Вплив неіндиферентних (родинних) електролітів
- •Експериментальне визначення електрокінетичного потенціалу
- •Контрольні питання.
- •Методи одержання та очистки колоїдних систем
- •Диспергаційні методи
- •Конденсаційні методи
- •Термодинаміка утворення нової фази при конденсації.
- •Кінетика утворення нової фази
- •Будова міцел
- •Методи очистки колоїдних розчинів
- •Контрольні питання.
- •Агрегативна стійкість дисперсних систем.
- •Фактори агрегативної стійкості ліофобних дисперсних систем.
- •Ізотермічна перегонка в дисперсних системах.
- •Коагуляція.
- •Теорія стійкості дисперсних систем Дєрягіна, Ландау Фервея і Овербека
- •Кінетика коагуляції
- •Контрольні питання
- •Властивості дисперсних систем
- •Молекулярно – кінетичні властивості дисперсних систем
- •Броунівський рух
- •Дифузія.
- •Седиментація та седиментаційна стійкість.
- •Седиментаційний аналіз дисперсності.
- •Оптичні властивості дисперсних систем.
- •Розсіювання світла.
- •Абсорбція світла.
- •Оптичні методи дослідження дисперсних систем.
- •Структурно-механічні властивості дисперсних систем.
- •Реологічних моделі тіл.
- •Розчини поверхнево – активних речовин.
- •Класифікація пар.
- •Міцели пар.
- •Розчини високомолекулярних сполук
- •Утворення і властивості вмс
- •Взаємодія вмс з розчинниками.
- •Молекулярна маса вмс
- •ГрубоДисперсні системи.
- •Суспензії
- •Емульсії.
- •Класифікація та властивості емульсій.
- •Одержання та руйнування емульсій.
- •Основні характеристики та властивості пін.
- •Одержання та руйнування пін.
- •Аерозолі
- •Класифікація та властивості аерозолів
- •Методи одержання та практичне значення аерозолів
- •Порошки
- •Список літератури
Теорія Гуї - Чепмена
У 1910 р. Гуї і 1913 р. Чепмен незалежно один від одного розробили теорію будови подвійного електричного шару з дифузійним шаром протиіонів.
В подвійному електричному шарі крім електростатичних сил діють також сили теплового руху, які прагнуть розподілити протиіони рівномірно в об’ємі. Біля твердої поверхні, на якій знаходяться потенціалвизначальні іони, переважають електростатичні сили, які прагнуть притягнути протиіони, тому їх концентрація тут велика. З відстанню дія цих сил зменшується і концентрація цих іонів теж зменшується і на деякій відстані стає рівною концентрації іонів в розчині. Ця відстань є товщиною подвійного електричного шару (рис.40).
Іони того ж знаку, що й потенціалвизначальні відштовхуються електростатичними силами від поверхні, тому їх концентрація тут значно менша і поступово зростає з відстанню. На великих відстанях від поверхні:
с+ = с- =с∞
Рис. 40. Схема будови ПЕШ згідно теорії Гуї – Чепмена.
На малих відстанях від поверхні концентрація позитивних і негативних іонів описується законом розподілу Больцмана:
( 5.0)
( 5.0)
с∞- концентрація іонів в розчині;
WX – робота по переміщенні іонів на відстаньхвід поверхні;
z– заряд іона;
x– потенціал на відстаніхвід поверхні.
Співвідношення між потенціалом та об’ємною густиною зарядудля сферичного електричного поля визначається рівнянням Пуасона:
∂2/∂x2 + ∂2/∂y2 + ∂2/∂z2 = -/a ( 5.0)
Для плоского подвійного електричного шару можна розглядати змін потенціалу тільки по нормалі до поверхні, тому розглядаємо зміну потенціалу тільки по одній координаті:
∂2/∂x2 = -/a ( 5.0)
Об’ємну густину заряду можна представити, як:
= F(z+c+ - z-c-) ( 5.0)
= Fc∞ziexp(xziF/RT) ( 5.0)
Підставимо це рівняння в рівняння Пуасона одержуємо рівняння Пуасона-Больцмана:
( 5.0)
При малих значеннях потенціалу поверхні (<25 мВ),(xziF/RT)<<1, розв’язок рівняння Пуасона-Больцмана має вигляд:
x = oe-∙x ( 5.0)
Де згідно теорії сильних електролітів Дебая – Гюккеля величина обернена до товщини іонної атмосфери:
( 5.0)
Для великих значень потенціалу (xziF/RT)>1
( 5.0)
( 5.0)
Згідно рівняння 5.21 заряд і потенціал поверхні взаємо пропорційні, тому ПЕШ можна вважати плоским конденсатором, відстань між пластинами якого дорівнює:
( 5.0)
Товщина подвійного електричного шару зменшується з ростом концентрації іонів. Зростання температури приводять до збільшення швидкості руху іонів і збільшення товщини подвійного електричного шару.
На відстані потенціал поверхнізменшується ве=2,718 рази.
x = oe-e∙e-1e ( 5.0)
При переміщені дисперсної фази відносно дисперсійного середовища межа ковзання знаходиться на якійсь відстані від поверхні. Потенціал на межі ковзання називаєтьсяелектрокінетичним потенціалом,або-(дзета) потенціалом. Величина- потенціалу, на відміну від потенціалу поверхні, залежить від концентрації і валентності індиферентних іонів в розчині.
Рис. 41. Залежність потенціалу від відстані при різних концентраціях електроліту.
Теорія Гуї - Чепмена не враховує розміри іонів та вплив адсорбційних сил на структру ПЕШ. Це призвело до суттєвих розбіжностей між розрахунковими та експериментально визначеними параметрами ПЕШ та до неможливості пояснити явище перезарядки та різний вплив іонів з ліотропного ряду.
Приклад 5.16
Розрахуйте товщину дифузійного іонного шару на поверхні сульфату барію, що знаходиться в водному розчині NaOH з концентрацією 25 мг/л. Відносна діелектрична проникність розчину 82,2 при температурі 288 К.
Розрахуємо молярну концентрацію розчину:
c = 25∙10-3[г/л] /58,44 [г/моль] = 4,28∙10-4 моль/л = 0,428 моль/м3.
Товщину дифузійного іонного шару розраховуємо за рівнянням
λ = (εε0RT/ F2∑cz2)1/2 =
= ((82,2∙8,85∙10-12∙8,314∙288)/(2 965002∙1/2 0,428(1∙12 + 1∙12 )))1/2
= 1,477∙10-8 м = 14,77 нм.
Приклад 5.17
Визначте значення потенціалу дифузійного шару для слабозарядженої поверхні на відстані 15 нм від поверхні. Середовище, що оточує поверхню - водний розчин NaCl з концентрацією 5∙10-4 моль/л, температура 293 К. Відносна діелектрична проникність середовища 80,1; потенціал поверхні 0,02 В.
= (F2∑cz2 / εε0RT)1/2 = (965002∙0,5(1∙12+1∙12) /∙80,1∙8,85∙10-12 8,314∙293)1/2 =
= 73,43∙106 м-1
φx = φ0е-x = 0,02∙е – 0,0734 ∙15∙ = 0,02∙е – 1,10 = 6,7 мВ
Приклад 5.18
Розрахуйте ємність дифузійного шару дисперсної фази. Дисперсійне середовище – водний розчин СаСl2 з концентрацією 2∙10-4 моль/л і відносною діелектричною проникністю 83,8, при температурі 283 К.
С = ε ε0/ λ = ε ε0 /(εε0RT / F2∑cz2)1/2 =
= 83,8∙8,85∙10-12/(83,8∙8,85∙10-12∙8,314∙283/(965002∙0,2∙(22+2∙12)))1/2=59,4∙10-3 ф/м2