Электрокинетические явления

Электрокинетические явления отражают связь, существующую между относительным движением двух фаз (чаще всего жидкой и твёрдой) и электрическими свойствами границы их раздела. Электрокинетические явления возникают в тех случаях, когда одна фаза диспергирована в другой, то есть когда система может быть охарактеризована как микрогетерогенная. Различают четыре группы электрокинетических явлений: электроосмос, электрофорез, потенциал течения и потенциал осаждения.

Явление	Сущность явления и его особенности	Причина явления
Электроосмос	Движение жидкости относительно твердого тела (капилляр, система капилляров или пористое тело)	Приложенное извне электрическое напряжение
Электрофорез	Движение частиц твердого тела, диспергированных в жидкости	Приложенное извне электрическое напряжение
Потенциал течения	Появление разности потенциалов между точками, расположенными в различных участках по направлению течения жидкости	Перемещение жидкости относительно твердого тела (капилляр, система капилляров, пористое тело)
Потенциал седиментации (осаждения)	Появление разности потенциалов между точками, находящимися на различных высотах столба жидкости, в которой взвешены диспергированные твердые частицы	Оседание твердых частиц, взвешенных в жидкости (перемещение твердых частиц относительно жидкой фазы)

Электрокинетические явления, особенно электроосмос и электрофорез, используются при обезвоживании и очистке различных материалов, нанесении на непроводящие материалы покрытий из каучука, отходов кожи и т.п., а также при пропитке тканей огнестойкими веществами, определении состава и разделении энзимов, белков, вирусов и других сложных систем и т.д. Само существование электрокинетических явлений указывает на то, что в месте контакта твёрдого тела и жидкости имеется двойной электрический слой, причём и твёрдое тело, и жидкость обладают определёнными зарядами.

Изучение связи, существующей между направлением и скоростью электрофореза или электроосмоса, с одной стороны, и направлением и напряжённостью приложенного электрического поля – с другой, позволяет получить сведения о знаке и величине заряда твёрдых частиц относительно жидкости и о соответствующем ему скачке потенциала.

Приближенная теория электрокинетических явлений приводит к следующим уравнениям для скорости электроосмоса U и потенциала течения Е:

U = ,

Е = или Е = ,

где ee₀ – диэлектрическая проницаемость жидкой фазы; Dy/Dх – напряжённость электрического поля в направлении, параллельном границе раздела твёрдой и жидкой фаз; h – вязкость жидкой фазы; k_о – её электропроводность; р – давление, вызывающее относительное перемещение фаз по границе раздела между ними; S – сечение взвешенной частицы (или поры).

Величина z, входящая в уравнения, называется дзета-потенциалом или электрокинетическим потенциалом; его можно найти с помощью уравнений, если измерить U или Е. Уравнения в силу их приближённости позволяют определить лишь ориентировочные значения z-потенциала. Непосредственные измерения дают при этом не z, а ee_оz /h , и расчётное значение z-потенциала зависит от выбора численных значений ee₀ и h. Помимо того, напряжённость поля и удельная электропроводность жидкости, то есть величины, которые следовало бы использовать при расчёте z-потенциала по уравнениям, вблизи границы раздела и в глубине жидкой фазы в общем случае неодинаковы. Такое различие обусловлено тем, что у поверхности раздела фаз ионный состав обычно иной, чем средний ионный состав всей жидкой фазы.

Считалось, что z-потенциал коллоидной химии – это то же самое, что электродный потенциал или E-потенциал электрохимии, точнее, та его часть, которая отвечает скачку потенциала на границе электрод – электролит. Для такого предположения имелись известные основания, вытекающие из самой природы электрокинетических явлений. Действительно, если граница раздела жидкость – твёрдое тело в то же время является плоскостью скольжения при относительном перемещении фаз, то z-потенциал должен быть равен E-потенциалу или, вернее, скачку потенциала g_L,М . Если бы это предположение оказалось справедливым и отвечающим опыту, то появилась бы возможность экспериментального измерения скачка потенциала электрод – электролит, а следовательно, и определения абсолютного потенциала электрода. Имеется возможность косвенной проверки сопоставлением зависимости z-потенциала и g_L,М-потенциала от состава раствора. Поскольку g_L,М является единственной составной частью j-потенциала, зависящей от концентрации электролита, то при соблюдении равенства z = g_L,М изменение z-потенциала и E-потенциала с концентрацией должно быть одинаковым и подчиняться одному и тому же закону.

Результаты опытов показали, что отождествлять z- и E-потенциалы нельзя. E- и z-потенциалы изменяются с концентрацией по разным законам. При этом оказывается, что z-потенциал изменяется не монотонно, а проходит в отличие от E-потенциала через минимум или максимум. По своей абсолютной величине z-потенциал обычно меньше, чем E-потенциал, и стремится к нулю при повышении концентрации. В то время как знак E-потенциала сохраняется неизменным в широком интервале концентраций, знак z-потенциала может меняться на обратный и тем раньше, чем выше валентность ионов и чем сильнее их способность к избирательной адсорбции. Изменение знака z-потенциала (так называемая перезарядка поверхности) приводит к тому, что для одной и той же поверхности раздела знак z-потенциала может быть или одинаковым, или обратным знаку E-потенциала. Таким образом, z-потенциал отличается по своей природе от E-потенциала.

На основании свойств z-потенциала можно заключить, что он представляет собой некоторую часть той доли общего скачка потенциала, которая целиком расположена в жидкой фазе. Именно потому, что z-потенциал в отличие от E-потенциала лежит в одной и той же фазе, оказывается возможным прямое экспериментальное определение его абсолютной величины. Падение потенциала, соответствующее z-потенциалу, должно быть локализовано на границе между слоем жидкости, непосредственно примыкающем к поверхности твёрдого тела (и связанным с ним при относительном движении жидкой и твёрдой фаз), и более глубокими её слоями, удалёнными от поверхности раздела фаз.

Существование между твёрдым телом и раствором наряду с общим скачком потенциала также z-потенциала следует учитывать при разработке теории строения двойного электрического слоя. Эта теория должна объяснить не только причины появления электрокинетического потенциала, но и характер его изменения с составом раствора и, в частности, явление перезарядки поверхности.