Раздел III. Электрические свойства дисперсных

СИСТЕМ. ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

3.1 Возникновение электрического заряда

на поверхности раздела фаз

Экспериментально установлено, что поверхностное натяжение зависит от электрического потенциала поверхности дисперсной фазыи максимальное значениенаблюдается, когда поверхность не имеет заряда. Увеличениепо абсолютному значению вызывает снижение.

В дисперсных системах самопроизвольно идут процессы, приводящие к снижению нескомпенсированной поверхностной энергии G_пов.

Поскольку

G_пов=S,

при неизменной площади раздела фаз sснижениеприводит к уменьшению G_пов. Следовательно, появление электрического заряда на поверхности, сопровождающееся уменьшением поверхностного натяжения, – процесс самопроизвольный.

Механизмы возникновения электрического заряда

на поверхности дисперсной фазы

1. Избирательная адсорбция ионов, находящихся в растворе, на поверхности раздела фаз. Действует правило Фаянса: на поверхности твердой частицы избирательно адсорбируются ионы, которые способны достроить ее кристаллическую решетку (входят в состав кристаллической решетки).

2. Диссоциация поверхностных молекул твердой частицы (один из ионов переходит в раствор).

Пример, выщелачивание стекла (вымывание кальция):

.

В результате стекло с течением времени приобретает отрицательный заряд. По этой причине все породы (земля, песок, глина) несут отрицательный заряд.

3. Пространственное разделение положительных и отрицательных зарядов в поверхностном слое при контакте двух жидкостей с разной полярностью. Например, вода (полярная жидкость) контактирует с неполярным бензолом. Происходит определенная ориентация полярных молекул в поверхностном слое, которые на поверхности образуют слой ориентированных диполей: жидкость с большей диэлектрической проницаемостью (вода) заряжается положительно, а жидкость с меньшей диэлектрической проницаемостью (бензол) – отрицательно.

Ионы, создающие заряд на поверхности, называют потенциалопределяющими ионами.

Вблизи поверхности раздела фаз концентрируются ионы противоположного знака – противоионы.

Возникает двойной электрический слой ДЭС, состоящий из потенциалопределяющих ионов и эквивалентного количества противоионов, полностью компенсирующих заряд поверхности.

3.2 Современные представления о строении

двойного электрического слоя

Существует несколько теорий строения ДЭС, наиболее значительные из них

• теория Гельмгольца-Перрена (1879 г.);

• теория Гуи-Чепмена (1910-1913 г.г.);

• терия Штерна (1924 г.)

Отличие между этими теориями сводится в основном, к различному толкованию структуры слоя противоионов.

Современные представления о строении ДЭС базируются на теории Штерна, объединяющей первые две теории.

1. ДЭС образован потенциалопределяющими ионами, находящимися на поверхности дисперсной фазы, и эквивалентным количеством противоионов, находящихся в дисперсионной среде вблизи поверхности раздела фаз;

2. Потенциалопределяющие ионы прочно связаны с частицей дисперсной фазы хемосорбционными силами и равномерно распределены по ее поверхности, вызывая появление электрического потенциала ⁰.

3. ДЭС рассматривается как плоскопараллельный. Это допущение приемлемо, т.к. толщина ДЭС намного меньше радиуса кривизны поверхности частицы дисперсной фазы (поэтому нам кажется плоской земля, радиус которой около 6000 км, что значительно больше расстояния, на которое видит человеческий глаз).

4. Слой противоионов состоит из двух частей: плотного адсорбционного слоя (слоя Гельмгольца) и диффузного слоя (слоя Гуи-Чепмена).

Адсорбционный слой противоионов примыкает к заряженной поверхности частицы дисперсной фазы и имеет толщину порядка диаметра гидратированного противоиона – ₀

Противоионы адсорбционного слоя связаны с заряженной частицей двумя видами сил – адсорбционными и электростатическими. Эта связь является настолько прочной, что противоионы адсорбционного слоя перемещаются вместе с частицей, образуя с ней единое кинетическое целое – коллоидную частицу. В адсорбционном слое падение потенциала происходит линейно (рис. 27).

За адсорбционным слоем следует диффузный. Противоионы диффузного слоя притягиваются к частице только электростатическими силами (которые с увеличением расстояния уменьшаются). Поэтому эти противоионы менее прочно связаны с частицей по сравнению с противоионами адсорбционного слоя, и при движении частицы отрываются от нее.

На противоионы диффузного слоя большое влияние оказывает тепловое (броуновское) движение. Причем его действие тем сильнее, чем дальше от заряженной поверхности находятся противоионы. В результате теплового движения и взаимного отталкивания противоионы диффузного слоя способны перемещаться в пределах слоя. Падение потенциала в диффузном слое происходит по криволинейной зависимости до 0 (рис. 27).

Толщина диффузного слоя, в отличие от адсорбционного, подвержена влиянию различных факторов: температуры, рН, добавок электролитов, свойств дисперсионной среды.

По Чепмену толщина диффузного слоя ДЭС равна

,

где К – константа;  – диэлектрическая проницаемость среды; Т – температура;

Таким образом, в ДЭС происходит полная компенсация поверхностного заряда ⁰суммарным зарядом противоионов. Потенциал на границе ДЭС равен 0.

Электрически нейтральную коллоидную частицу называют мицеллой.

Взаимное перемещение дисперсной фазы и дисперсионной среды относительно друг друга происходит по плоскости скольжения (смещения) А-А, проходящей вблизи границы адсорбционного и диффузионного слоев противоионов. Поэтому противоионы, находящиеся в адсорбционном слое неподвижны относительно частиц дисперсной фазы и перемещаются вместе с ними.

Потенциал, возникающий на плоскости скольжения, определяет скорость перемещения фаз при наложении электрического поля, т.е. является причиной электрокинетических явлений (электрофорез, электроосмос, потенциалы протекания и оседания). Этот потенциал получил название электрокинетического, или -потенциала.

Рис. 27. Строение двойного электрического слоя:  – электрический потенциал, h – расстояние от границы раздела (h = 0) дисперсной и дисперсионной фаз; – толщина ДЭС; ₀ – толщина адсорбционной части ДЭС;  – электрокинетический потенциал; А–А – плоскость скольжения