IV. Перезарядка твердой поверхности
На величину и знак ζ-потенциала существенное влияние оказывает изменение электролитного состава дисперсионной среды. При добавлении индифферентных электролитов (не влияющих на потенциал поверхности, т.е. не содержащих ионов, входящих в кристаллическую решетку твердого тела или изоморфных им) изменения ζ-потенциала зависят от соотношения величин зарядов противоионов исходного двойного слоя и соответствующих им по знаку ионов добавленного электролита. Если электролит содержит те же ионы, что и противоионы исходного двойного слоя, ζ-потенциал уменьшается вследствие уменьшения толщины ионной атмосферы (рис.7, кривая 1). Если добавленный электролит содержит ионы большего знака, происходит ионный обмен и при наличии сильных электростатических и адсорбционных сил притяжения ионов к поверхности, может происходить изменение знака ζ-потенциала, т.е. к перезарядка частиц золя (рис.7, кривая 2). При добавлении неиндефферентных электролитов, содержащих ионы одинакового знака с потенциалопредедяющими ионами, сначала происходит увеличение ζ-потенциала (вместе с потенциалом поверхности), а затем его уменьшение из-за сжатия диффузного слоя (рис.7, кривая 3). Если неиндефферентный электролит содержит ионы противоположного знака потенциалопределяющим, то происходит перезарядка поверхности и зависимость ζ-потенциала от концентрации добавленного электролита будет иметь вид кривой 2 рис.7.
Рисунок 7 – Влияние электролитов на ζ-потенциал (дзета-потенциал)
V. Понятие об индифферентных и неиндифферентных электролитах
По отношению к кристаллу мицеллы электролиты могут быть:
Индифферентными
неиндифферентными
Индифферентные электролиты («безразличные») это электролиты, ионы которых:
не могут достроить кристаллическую решетку твердой частицы (т.е. не содержат ионы, образующие кристалл)
По этой причине ионы этих электролитов:
не могут быть потенциалопределяющими, а значит не могут поменять термодинамический потенциал поверхности φ0.
Неиндифферентные электролиты («небезразличные»)
это электролиты, ионы которых:
могут достроить кристаллическую решетку твердой частицы (т.е. содержат ионы, образующие кристалл);
Поэтому ионы этих электролитов:
могут быть потенциалопределяющими, а значит могут изменить термодинамический потенциал поверхности φ0.
VI. Электрокинетические явления
ДЭС на границе раздела дисперсной фазы и дисперсионной среды обусловливает возможность взаимодействия дисперсных систем с электрическим полем. Эффекты, связанные с относительным перемещением двух фаз под действием электрического поля или с возникновением разности потенциалов при перемещении этих фаз относительно друг друга, называются электрокинетическими явлениями.
Электрофорез – явление перемещения частичек дисперсной фазы в дисперсионной среде под действием внешнего электрического поля. Скорость электрофореза прямо пропорциональна градиенту электрического потенциала. При электрофорезе, как и при электролизе, могут происходить оседание и разряжение частичек дисперсной фазы на электроде. При оседании частичек дисперсной фазы в жидкости возникает разность потенциалов (эффект Дорна), что можно обнаружить, введя в систему два электрода на различной высоте; возникающая разность потенциалов называется потенциалом седиментации. Это явление обратно электрофорезу.
Электроосмосом называется явление перемещения дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы (через капилляры, твердые пористые диафрагмы и мембраны, слои мелких частичек) под действием внешнего электрического поля. Количество перенесенной через пористую диафрагму жидкости прямо пропорционально силе тока в системе. При продавливании жидкости через диафрагму (капилляр, мембрану) из пористого материала, расположенную между электродами, появляется разность потенциалов. Это явление, обратное электроосмосу, называется эффектом Квинке, а возникающая разность потенциалов – потенциалом протекания. Он прямо пропорционален разности давлений по обе стороны пористой диафрагмы, не зависит от площади и толщины диафрагмы и количества протекающей жидкости.
Все электрокинетические явления связаны с существованием на границе раздела фаз ДЭС. При взаимном перемещении дисперсионной среды и дисперсной фазы слой жидкости, прилегающий к поверхности и прочно связанный с нею силами межмолекулярного взаимодействия, составляет с частичкой дисперсной фазы неразрывное целое. Он либо перемещается вместе с дисперсной фазой при электрофорезе или эффекте Дорна, либо остается неподвижным при электроосмосе и эффекте Квинке. Ионы, находящиеся в этом слое жидкости, перемещаются (или остаются неподвижными) вместе с дисперсной фазой. Этот прочно связанный с поверхностью слой имеет толщину, превышающую молекулярные размеры, поэтому в его состав входят потенциалопределяющие ионы, закрепленные непосредственно на границе раздела фаз, противоионы, сосредоточенные в адсорбционном слое Штерна, и часть противоионов диффузного слоя.
Электрокинетические явления определяются не общим зарядом q и потенциалом ϕs поверхности, а зарядом и потенциалом на плоскости скольжения (ζ -потенциалом).
Скорость электрофореза и электроосмоса, потенциалы протекания и седиментации прямо пропорциональны электрокинетическому потенциалу, что позволяет определять его значение при изучении электрокинетических явлений.
В простейших случаях, при отсутствии осложняющих процесс явлений, уравнения для расчета электрокинетического потенциала, т.е. количественной характеристики электрокинетического явления, имеют вид:
для электрофореза
для электроосмоса
для потенциала протекания
где u – линейная скорость электрофореза при градиенте потенциала
H=UL, U – внешняя разность потенциалов,
L – расстояние между электродами;
υ – объемная скорость электроосмоса при силе тока в системе, равной I , то есть объем жидкости, протекающей за единицу времени через мембрану в целом;
E – потенциал протекания, возникающий при перепаде давления ∆P ; η, κ, ε – соответственно вязкость, удельная электропроводимость и диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды;
ε0 – диэлектрическая постоянная, равная 8.854⋅10–12 Ф/м.
Методы измерения величин u , υ и E определяются видом дисперсной системы, для которой измеряется ζ -потенциал.