Лабы эпс

Каждая точка электрического поля двойного слоя,

образованного потенциалопределяющими ионами и

противоионами, характеризуется определенным значением

потенциала </>. Согласно наиболее общим представлениям

Штерна, падение потенциала поля с удалением от

межфазной границы происходит круто, по прямой, в адсорбционном слое и более полого, по кривой, в диффузионном слое, как это показано на рис. 2.1.

Если мицелла находится во внешнем электрическом

поле, то набmoдается электрофорез - ядро мицеллы вместе

спрочно адсорбированнь~и на нем противоионами

движется к одному из электродов, а остальные

противоионы перемещаются к другому электроду. Таким

образом, электрофорез, как и электролиз, является

двусторонним процессом. Однако в отличие от электролиза при электрофорезе не собmoдается зависимость, выражаемая BTOPЬ~ законом Фарадея. Это следует из того, что к коллоиднь~ частицам неприложимо понятие об

электрохимическом эквиваленте, так как ни масса частиц,

ни их заряд не являются постояннь~и величинами.

Скорость электрофореза зависит от потенциала на

границе скольжения, разделяющей две перемещающиеся

друг относительно друга части мицеллы. Потенциал

двойного слоя, отвечающий границе скольжения,

назьmается электрокинетическuм или ; - потенциалом.

Часто принимают, что граница скольжения

совпадает с границей между адсорбционнь~ и диффузнь~ слоями. Однако в общем случае эти границы могут не совпадать (рис. 2.1), так как место границы скольжения определяется не только действием адсорбционных и

электрических сил, но и гидродинамическими свойствами

раствора, окружающего частицы. Поэтому ;-потенциал не

всегда может бьпь отождествлен с потенциалом на границе

адсорбционного и диффузного слоев </>0.

На ;-потенциал весьма сильно влияют концентрация

и валентность противоионов, присутствующих в

- 11 -

www.mitht.ru/e-library

дисперсионной среде. Вследствие того, что для компенсации потенциалопределяющих ионов требуется

всегда одно и то же (эквивалентное) количество

противоионов, с повышением концентрации противоионов

толщина диффузного слоя будет падать и, следовательно,

~-потенциал будет снижаться. С увеличением валентности

противоионов последние будут сильней притягиваться заряженной поверхностью, что будет также вызывать

сжатие двойного электрического слоя и обуславливать

падение ~-потенциала. При этом способность

противоионов понижать ~-потенциал возрастает не прямо

пропорционально валентности иона, а гораздо в большей

степени.

~-Потенциал частиц является важной

характеристикой коллоидных систем, поскольку во многих

случаях

обнаруживается симбатное изменение этой

величины и устойчивости золя. Однако мнение, что ~­

потенциал целиком и полностью определяет устойчивость

золя, оказалось неверным. Поэтому представление о так

назьmаемом критическом значении электрокинетического

потенциала, ниже которого золь становиться агрегативно

неустойчивым, себя не оправдало.

Значение ~-потенциала (в В) может бьпь рассчитано из экспериментально найденной скорости электрофореза

по уравнению Гельмгольца - Смолуховского:
~=11Ц/ЕЕоЕ	(2.3)

где l1И Е - вязкость И диэлектрическая проницаемость

среды на границе скольжения; Е - градиент потенциала

внешнего	электрического	поля;	и	скорость
электрофореза;
В этом уравнении		E=V/L		(2.4)

где V - приложенная извне разность потенциалов, В; L -

расстояние между электродами, см.

- 12 -

www.mitht.ru/e-library

Часто в уравнение Гельмгольца - Смолуховского

вводят величину, назьmаемую электрофоретической

подвижностью

Иэф=И/Е=&Q&q1]

(2.5)

Она не зависит от напряженности внешнего

электрического поля, а является характеристикой

коллоидной системы.

Значения g и 11, подставляемые в уравнение

Гельмгольца - Смолуховского, берутся обычно для

дисперсионной среды. При этом, конечно, допускается некоторая ошибка, так как благодаря повышенной

концентрации ионов значения 11. и g в двойном

электрическом слое иные, чем для дисперсионной среды.

для воды при температуре 200с можно с достаточной

точностью принять, что g = 81, Ео = 8,85'10·12 ф/м, а 11 =

1,002 мПа·с. Эти значения используются при расчете ~­

потенциала в данной работе.

Таблица 2.1. Значення вязкости воды при

различных температурах

Температура, ис	15	18	20	22		25
Вязкость, мПа·с	1,1383	1,060	1,0020	0,9600	0,8902
Следует иметь в виду, что вычисление ~-потенциала
по уравнению	Гельмгольца		Смолуховского			дает

приближенные результаты. Для получения точных значений ~-потенциала необходимо учитывать явления элекi'pофоретического запаздывания и электрической релаксации и вносить соответствующие поправки. Однако

эти поправки в ряде случаев невелики и значения ~­

потенциала, вычисленные по уравнению Гельмгольца-

- 13 -

www.mitht.ru/e-library

Смолуховского, достаточно показательны для решения

многих задач.

Существует два метода определения скорости

электрофореза: микроскопический и макроскопический,

или метод передвигающейся границы.

Первый метод заключается внепосредственном

определении скорости движения частицы под

ультрамикроскопом. Золь или суспензию помещают в

небольmyю стеклянную кювету, прикладывают к раствору

разность потенциалов, фиксируют положение какой­

нибудь отдельной частицы и измеряют путь, который она

проходит за определенный промежуток времени.

Недостатком этого метода является необходимость сильно разбавлять золь для наблюдения за отдельной частицей,

что может привести к изменению ~-потенциала.

Метод макроэлектрофореза, или передвигающейся границы, заключается в следующем. Коллоидный раствор

помещают в U-образную электрофоретическую трубку,

сверху наливают слабый раствор некоагулирующего электролита, так назьmаемую боковую жидкость, и

наблюдают за скоростью перемещения границы раздела

золь - боковая жидкость под действием приложенной к раствору разности потенциалов. В одном колене трубки

граница раздела поднимается, так как коллоидные частицы

переходят в боковую жидкость, в другом опускается,

поскольку коллоидные частицы перемещаются в

межмицеллярной жидкости и движутся вглубь

коллоидного раствора.

Боковая жидкость необходима для создания границы раздела. При выборе боковой жидкости к ней предъявляют следующие требования.

1. Боковая жидкость не должна содержать

коагулирующих ионов и по своему составу должна

бьпь близка к межмицеллярной жидкости; иначе при

переходе частиц золя в боковую жидкость будет

- 14-

www.mitht.ru/e-library

меняться толщина диффузного (,лоя и, следовательно, электрокинетический потенциал.

2. для получения четкой границы раздела

необходимо, чтобы электропроводность боковой жидкости бьша равна или немного больше

электропроводности золя. Вьmолнение этого

требования важно еще и потому, что облегчает расчеты,

так как падение потенциала в электрофоретической

трубке будет происходить равномерно и градиент

потенциала как в золе, так и в боковой жидкости будет иметь одинаковое значение. Наилучшей боковой жидкостью является межмицеллярная жидкость золя. С

помощью ультрафильтрации, центрифугирования или замораживания золя можно получить боковую

жидкость, очень близкую по своим свойствам к

межмицеллярноЙ.

Экспериментальная часть

для проведения работы необходимы:

Прибор для макроэлектрофореза типа Кёна или

стенд, состоящий из трех таких приборов. Источник постоянного тока и вольтметр.

Набор колб, пипеток и бюреток.

Исследуемая жидкость (латекс или раствор монтмориллонита).

Боковая жидкость.

Электролиты: растворы хлоридов калия и кальция.

Перед проведением работы студент должен узнать у

преподавателя, какой вариант он вьmолняет.

Работу вьmолпяют с помощью прибора типа Кёна* (рис.2.2). Если изучают влияние электролитов на ~~

потенциал, опьп ведут одновременно на трех приборах,

скомпонованных на одном щите. от обычного прибора

* в приборе такого mпа можно определять I;-потенциал только таких

коллоидных систем, дисперсная фаза которых имеет плотность больше

единицы.

- 15 -

www.mitht.ru/e-library

Кёна данный прибор отличается тем, что позволяет

работать с неполяризующимися электродами (например,

CUS04) и боковой жидкостями осуществляется при

помощи агарагаровых мостиков, насыщенных KCl.

Вариант 1. В качестве исследуемой коллоидной системы в первом варианте работы используют латекс. Боковой жидкостью служит дистиллированная вода, в

которую добавляют небольшое количество раствора KCl,

чтобы электропроводности боковой жидкости и латекса

бьmи одинаковыми. Эта боковая жидкость должна бьrrь

заранее приготовлена и находиться на рабочем месте. для

изучения влияния концентрации противоионов на

электрокинетический потенциал (второй вариант работы) берут исходный

Рис. 2.2. Схема прибора для макроэлектрофореза типа

Кена.

латекс и два латекса, содержащих различные концентрации

КСl или CaC12. для изучения влияния валентности

-·16 -

www.mitht.ru/e-library

противоионов на электрокинетический потенциал (третий

вариант работы) наряду с исходным латексом исследуют

латексы, содержащие КСI и CaCI2 в одинаковой

концентрации.

Вариант 2 и 3. Боковой жидкостью служит раствор

электролита той же концентрации, что концентрация электролита в латексе. Концентрации электролитов

указываюТСЯ преподавателем.

Разбавление латексов растворами электролитов

проводят следующим образом. В мерную колбу емкостью 50 мл из бюретки вводят определенный объем исходного

раствора электролита и при перемешивании доводят объем

раствора до метки исходным латексом.

Боковую жидкость готовят так же, только

содержимое колб доводят до метки не латексом, а

дистиллированной водой.

Таким образом, при работе по второму и третьему

варианту студент должен иметь три образца латекса и три

~оответствующие боковые жидкости.

Вариант 4. Разбавленные золи монтморилолнита можно отнести к лиофильным коллоидным системам.

Термодинамическая устойчивость частиц слоистых

силикатов в водных дисперсиях опредеЛ]GOТСЯ наличием

избыточного отрицательного заряда на базальной

поверхности слоистых силикатов и возникновением

электрокинетического потенциала при mдратации в

водных растворах (рис. 2.3.).

www.mitht.ru/e-library

\1'0

~

Гlлоскость скольжения (вешняя плоскость Гемгольца)

~

: !

Слой Штерна (внугренняя плоскость Гемгольца)

Слой Гуи-Чепмена

Рис. 2.3. Строение двойного электрического слоя вблизи поверхности твердой частицы в водном растворе.

Величина электрокинетического потенциала в случае

частиц тонкодисперсных глинистых минералов

определяется особенностями строения их поверхности.

Коллоидные растворы монтмориллонита являются

термодинамически устойчивыми, т.е. лиофильными

системами. Однако введение малых добавок электролитов,

органических молекул и полимеров приводит к

значительному изменению устойчивости таких систем.

Взаимодействие частиц может идти в зависимости от рН,

природы и концентрации добавляемого компонента по

различным направлениям.

Ведение электролитов и прочих добавок следует осуществлять до стадии приготовления боковой жидкости

для того, чтобы обеспечить одинаковую электропроводность боковой жидкости и исследуемого

золя.

- 18 -

www.mitht.ru/e-library

ДЛЯ работы необходимо использовать тонкодисперсные фракции природно-натриевы:х форм

бентонитов, либо активированных катионами натрия природных щелочно-земельных бентонитов. для отделения суспензий бентонитов от грубодисперсной фракции 3~­

ная суспензия Nа+-бентонита отстаивается в течение суток либо подвергается центрифугированию в течении 2 мин при 1000 об/мин. для приготовления боковой жидкости

полученную суспензию, отделенную от примесей,

центрифугируют при 14000 об/мин в течении 10-15 мин.

Поскольку на величину электрокинетического потенциала

сильное влияние оказывает ионная сила раствора,

необходимо обеспечить ее постоянную величину во всех опытах, для чего создается фон электролита (0,02М NaCl). В опытах по определению влияния рН среды на ~­ потенциал необходимо сократить количество вводимого электролита с учетом содержания добавляемой щелочи

(NaOH) или кислоты (HCl). На основе исходного золя

монтмориллонита готовят золи с различным значением рН (указывается преподавателем) и различным содержанием фонового электролита (табл. 2.2).

I:аб'Лица 22.. Состав золеи монтмор~ллонита

	1",,-	рНзоля	Концентрация	Концентрация	Концентрация
			NaCl	NaOH	HCl
	1	Исходное	0,02	-	-

2РН2

3рНз

Порядок работы на приборе (рис. 2.2). В колена u- образной электрофоретической трубки 3 при открьпых кранах 1 и 2 через воронку 6 наливают исследуемую

жидкость до тех пор, пока жидкость не выступит из

верхних отверстий кранов 2. После этого высвобождают u-

- 19-

www.mitht.ru/e-library

образную трубку из штатива и, взяв в руки, осторожно

поднимая и отпуская ее, полностью вытесняют пузырьки

воздуха из жидкости. Затем закрьmают все краны прибора, осторожно сливают избьпок исследуемой жидкости, находящегося в боковых коленах трубки, и промьmают

последние сначала дистиллированной водой, а потом

небольшим количеством боковой жидкости для данной системы. После этого оба колена трубки почти доверху заполняют боковой жидкостью так, чтобы уровни жидкости в обоих коленах трубки бьши одинаковы. Прибор закрепляют в штативе и в верхние отверстия

электрофоретической трубки вводят длинные концы агар­

агаровых мостиков 4. Короткие концы агар-агаровых мостиков погружают в небольшие стаканчики 5, заполненные раствором сульфата меди.

Необходимо следить за тем, чтобы в боковую

жидкость погружалось всегда одно и то же колено агар­

агарового мостика, не побывавшее в растворе сульфата меди. В противном случае, поскольку раствор сульфата

меди пропитьmает агар-агаровый студень, при погружении

в боковую жидкость ионы меди могут диффундировать и

вызвать коагуляцию латекса.

После заполнения прибора осторожно открьmают краны 2 в боковых коленах прибора и подают напряжение. С помощью реостата поддерживают постоянство

показаний вольтметра, включенного в электрическую цепь

(110-200 В).

Пользуясь секундомером, по шкале, нанесенной на

боковых коленах трубки, определяют скорость

передвижения границы раздела исследуемая система -

боковая жидкость (наблюдения ведут только за поднимающейся границей). Скорость электрофореза для каждого образца замеряют три раза, каждый раз наблюдая

за перемещением границы на расстояние 5 мм.

По окончании измерений прибор ВЫКJПOчают и с помощью шнура или гибкой проволоки определяют вдоль

- 20-

www.mitht.ru/e-library