2.6. Электрические свойства дисперсных систем

Электрические свойства дисперсных систем обусловлены образованием двойного электрического слоя на границе раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Причинами образования двойного электрического слоя являются избирательная адсорбция ионов из раствора (дисперсионной среды) поверхностью твердых частиц (дисперсной фазы) или диссоциация поверхностных молекул дисперсной фазы.

Благодаря наличию двойного электрического слоя на границе раздела фаз в дисперсных системах наблюдаются электрокинетические явления, к которым относятся электрофорез, электроосмос, потенциал седиментации (эффект Дорна), потенциал течения. Электроосмос -явление перемещения жидкости в пористых телах под действием электрического поля. Электрофорез - явление перемещения частиц дисперсной фазы в электрическом поле. Потенциал точения - явление возникновения разности потенциалов при течении жидкости через пористые тела. Потенциал оседания - явление возникновения разности потенциалов при оседании частиц суспензии.

При перемещении дисперсной фазы и дисперсионной среды относительно друг друга независимо от причин, его вызвавших, происходит разрыв двойного электрического слое по плоскости скольжения, плоскость скольжения обычно проходит по диффузному слою, и часть его ионов остается в дисперсионной среде. В результате дисперсная фаза и дисперсионная среда оказываются противоположно заряженными. Потенциал плоскости скольжения называется электрокинетическим потенциалом или  (дзета)-потенциалом. Плоскость скольжения может находиться на разном расстоянии от поверхности раздела фаз. Это расстояние зависит от скорости движения фаз, от вязкости среды, природа фаз и других факторов.

С

Рис. 35. Строение двойного

электрического слоя по Штерну

овременные представления о строении двойного электрического слоя развиты в теории Штерна. В соответствии с теорией Штерна двойной электрический слой состоит из двух частей - плотной и диффузной. Как уже было сказано, двойной электрический слой образуется за счет избирательной адсорбции ионов из раствора поверхностью частиц или за счет диссоциации поверхностных молекул. Те ионы, которые придают заряд твердой поверхности, принято называть потенциалопределяющими ионами, а ионы, переходящие в раствор или остающиеся в растворе - противоионами. Согласно теории Штерна, в плотной части двойного слоя противоионы удерживаются электрическими или адсорбционными силами и располагаются на некотором расстоянии от поверхности . Плотную часть двойного электрического слоя иногда называют слоем Гельмгольца, а  - толщиной слоя Гельмгольца. В плотной части двойного электрического слоя происходит линейное падение потенциала заряженной поверхности от значения ₀ до значения _. В диффузной части двойного электрического слоя концентрация противоионов уменьшается экспоненциально благодаря их тепловому .движению. Падение потенцнала в диффузной части двойного электрического слоя также происходит по экспоненте. Диффузную часть двойного электрического слоя иногда называют слоем Гуи. Строение двойного электрического слоя по Штерну приведено на рис. 35.

 - расстояние, на котором находится граница скольжения между дисперсной фазой и дисперсионной средой,  - электрокинетический потенциал.

Противоионы плотной и диффузной части двойного электрического слоя полностью компенсируют заряд потенциалопределяющих ионов так, что в целом коллоидная система нейтральна.

Примером двойного электрического слоя, образовавшегося вокруг частицы твердого вещества, может служить двойной электрический слой, возникающий на кристалликах иодида серебра, полученного по реакции:

в присутствии избытка иодида калия. Полученный коллоидный раствор называется золем иодида серебра, а частицы в совокупности с двойным электрическим слоем носят название мицелл. Строение мицеллы иодида серебра в избытке KI можно изобразить формулой:

В озникновение двойного электрического слоя за счет ионизации можно проиллюстрировать образованием двойного, электрического слоя на кристалликах водного золя двуокиси кремния. Молекулы SiO₂, находящиеся на поверхности таких кристалликов, взаимодействуют с водой, образуя кремневую кислоту, которая ионизируется по уравнению:

Н₂SiO₃ .

При этом ионы остаются на поверхности частицы, придавая ей отрицательный заряд, а ионы водорода переходят в раствор. Строение мицелл SiO₂ в водном растворе может быть представлено следующей формулой:

Пути практического использования электрокинетических явлений

Пути практического использования электрокинетичских явлений

В нефтепромысловой практике электроосмос может быть использо­ван для пропитки горных пород соответствующими растворами, созда­ния искусственной смазки из разжиженного грунта, в катодной зоне с целью ликвидации прихватов и затяжек бурового инструмента. Разра­батываются способы интенсификации добычи нефти путем использования электроосмоса в процессе вытеснения нефтей водой из коллектора. Перспективность этого направления, как и использование электроос­моса при фильтрации, связана с тем, что с увеличением дисперснос­ти системы увеличивается ее гидравлическое сопротивление и фильт­рация становится все менее эффективной. Эффективность же электро­осмоса, наоборот, возрастает по мере развития диффузионных слоев с увеличением удельной поверхности.

Явление электрофореза широко изучается и находит большое практическое применение. С помощью электрофореза разделяют слож­ные органические и высокомолекулярные вещества, например, произ­водят разделение и анализ белков, плазмы крови; электрофорез используется в процессах электроосаждения частиц из аэрозолей, суспензий, эмульсий. Явления электрофореза и электроосмоса могут найти применение в процессах бурения, цементажа и эксплуации скважин (в частности, для регулирования структурно-механических свойств глинистых буровых растворов, обогащения и улучшения качества глин, укрепления стенок скважин), очистки нефтепродуктов от не­желательных примесей, депарафинизации масляных фракций и во мно­гих других случаях.

Практическое значение потенциала и токов течения весьма ве­лико, несмотря на недостаточное еще техническое применение. Так, при протекании природных вод в земной коре через грунты и горные породы возникают потенциалы течения. Исследование этого ^пестественного поля" земной коры и его аномалий, обусловленных залега­нием проводящих рудных тел, лежит в основе геофизической разведки полезных ископаемых (метод "естественного поля"),

Измерение потенциала течения возможно использовать для конт­роля состояния нефтяного коллектора в период эксплуатации, при этом можно также следить за изменениями, происходящими в коллекто­ре при воздействии на него различных реагентов.

При течении крови через капилляры кровеносной системы воз­никают биопотенциалы, в частности, один из пиков электрокардио­граммы (зубец Q) обусловлен течением крови в коронарной системе. Явление потенциала протекания используют в конструкциях датчиков, регистрирующих сейсмические колебания и взрывы.

Потенциалы течения возникают и при транспортировке жидкого топлива, в частности, при заполнении резервуаров, цистерн, бен­зобаков самолетов, при этом на концах трубопроводов возникают весьма высокие разности потенциалов, достигающие сотен и тысяч киловольт. Столь высокие потенциалы оказываются часто причиной искровых разрядов, вызывающих взрывы и пожары. Следует отметить, что заземление трубопроводов не устраняет опасности, способствуя еще большему разделению обкладок двойного электрического слоя, а заземление приемных резервуаров снимает потенциал лишь частично, ввиду медленности стекания зарядов (от нескольких единиц до де­сятков секунд для моторных и реактивных топлив). Осаждение и пе­ремещение в потоке водяных капель в резервуарах, наполненных неф­тепродуктами, способно вызвать появление разности потенциалов, которая совместно с потенциалом течения может привести к взрыву и воспламенению. При этом значение потенциала седиментации может достичь величины 10³ В.

Добавление весьма малых количеств веществ, диссоциирующих на ионы в неводных растворах (антистатики), как, например, алкилсалицилаты, снижает сопротивление на несколько порядков, что устраняет опасность возникновения высоких градиентов потенциала.

Лабораторная работа 6. ЭЛЕКТРОФОРЕЗ

При наложении электрического поля на систему, дисперсная фаза которой содержит заряженные частицы (гидрозоли, суспензии, латексы, эмульсии и др.), распределение ионов в диффузном слое нарушается, при этом частицы вместе с плотным слоем внешней об­кладки начинают двигаться в сторону одного из электродов, а диф­фузный слой перемещается в противоположном направлении.

М

Рис. 36. Прибор для изучения электрофореза

етодика измерения скорости электрофореза сводится либо к непосредственной регистрации скорости движения частицы в элект­рическом поле под микроскопом, либо скорости перемещения окрашен­ной границы золя с "боковой" жидкостью в градуированной U-образной трубке. В нашем случае используется вторая методика.

Прибор для изучения электрофореза представлен на рис. 36, Он состоит из U-образной трубки 1, соединенной в верхней час­ти мостиком с краном 4. Колена U-образной трубки снабжены кранами 2 и 3, диаметр отверстия которых равен диаметру трубки, Ниже кранов 2 и 3 нанесена шкала с миллиметровыми делениями. Перед опытом прибор тщательно моют хромовой смесью и дистиллированной водой. За­тем вынимают краны 2 и 3, протирают и смазывают нейтральной смаз­кой, например, вазелином. (Внимание! Во время мытья прибора, помните о кранах 2, 3, 4! Их следует придержи­вать пальцами рук от выпадания).

Приготовленный заранее золь за­ливают в прибор так, чтобы были за­полнены нижняя часть прибора и оба крана. После этого краны закрывают, избыток золя выливают и оба колена прибора промывают несколько раз дис­тиллированной водой, затей прибор заполняют почти доверху боковой жид­костью и укрепляют на штативе.

Весьма важным является вопрос о составе боковой жидкости, посред­ством которой осуществляется контакт золя с электродами. Для получения более резкой границы между золем и боковой жидкостью во время опыта необходимо, чтобы электропроводность боковой жидкости была равной или немного больше электропроводности золя. Равенство электропроводностей важно еще потому, что при расчете градиента потенциала, входящего в уравнение, для вычисления величины -потенциала не вносится ошибка за счет неравномерности падения потенциала на рас­стоянии между электродами. Наилучшие результаты получаются при ис­пользовании в качестве боковой жидкости ультрафильтрата золя, по­лученного центрифугированием изучаемого золя.

После заполнения прибора боковой жидкостью (в нашем случае в качестве боковой жидкости используется дистиллированная вода) в оба колена U-образной трубки погружают стеклянные мостики 5, заполненные студнем агар-агара, содержащим раствор KCl, благодаря чему студень хорошо проводит электрический ток. Другим концом мостики 5 погружают в 10%-й раствор CuSO₄, в который также опущены медные электроды 6. Благодаря применению обратимых электродов, погруженных не в золь, а боковую жидкость_t устраняет­ся поляризация электродов, перезарядка и коагуляция коллоидных частиц у электродов.

Непосредственно перед проведением опыта открывают на корот­кое время кран 4, чтобы уравнять уровни жидкости в обоих коленах прибора. Затем соединяют прибор с источником постоянного тока 7 и осторожно открывают краны 2 и 3. Обратите внимание на полярность электродов, это необходимо знать для определения знака заряда час­тицы.

Как только уровень окрашенного столба золя достигнет ну­левого деления градуировки шкалы (или любого другого, условно принятого за нулевое), включают секундомер и замечают, за какое время окрашенная граница передвинется на 5 мм. Скорость электрофореза замеряют три раза, каждый раз следя за перемещением окрашенной границы на .5 мм.

По окончании измерений прибор выключают и с помощью шнура или гибкой проволоки измеряют расстояние l между концами агар-агаровых мостиков. Расстояние l измеряется три раза и берется среднее значение полученных результатов.

Упрощенная методика определения -потенциала позволяет использовать в качестве боковой жидкости дистиллированную воду.

Значение -потенциала рассчитывается по уравнению Гельмголъца-Смолуховского для электрофореза, записанному в следующей форме:

,

где -вязкость среды, Пас (для воды при 20°С = 1,002 мПас, вязкость воды при других температурах приводится в табл. 6 приложения);

H - напряженность электрического поля, В/м ;

_а - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды (_а=_а);

 - относительная диэлектрическая проницаемость среды

(для воды = 81), ₀= 8,85410^12 Ас/В - абсо­лютная диэлектрическая проницаемость вакуума;

 - скорость электрофореза, м/с;

u - электрофоретическая подвижность, м²с^1В^1;

f - коэффициент, учитывающий форму частиц в электрическом поле (f = 1 для цилиндрических частиц, ориентированных вдоль силовых линий электри­ческого поля, f = 1/2 для цилиндрических частиц, ориентированных перпендикулярно силовым линиям, f = 2/3 - для сферических частиц) .

Для расчета величины электрофоретической подвижности u нужно знать напряженность электрического поля H и скорость электро­фореза  (среднюю величину для трех измерений):

, и , .

Электрофоретическая подвижность равна:

, .

Подставляя значение электрофоретической подвижности в уравнение Гельмгольца-Смолуховского, находят значение величины -потенциала. Экспериментальные и вычисленные величины заносят в таблицу 2.5.

Таблица 2.5 .

Экспериментальные и вычисленные величины, полученные при изучении электрофореза гидрозоля (латекса) (указать какого)

Расстояние между электродами, l= …, м

Напряжение на электродах Е, В	Напряженность электрического поля H, В/м	Перемещение границы раздела s, м	Время перемещения , с	Скорость электрофореза, , м/с	Электрофоретическая подвижность u, м^2/с/В	-потенциал, мВ
		0,005
		0,01
		0,015

Знак заряда коллоидной частицы исследованного золя определяют по знаку электрода, к которому перемещалась окрашенная граница раздела золь/боковая жидкость (если граница раздела перемещалась в сторону положительного электрода, следовательно частицы золя имели положительный заряд, в противном случае - положительный).

После выполнения работы составляют отчет. В отчете указывают цель работы и дают краткое описание. Указывают объект исследования и приводят описание метода получения золя или латекса. Определив знак заряда частицы, записывают формулу мицеллы золя (латекса). Рассчитывают величину электрофорети­ческой подвижности золя и значение -потенциала золя. Значения электрофоретической подвижности, рассчитанные на основании экспериментальных данных, лежат в большинстве случаев в интервале (0,5 - 5,0) 10^6 , что соответствует значениям -потенциала от 1,5 до 75 мВ.

При выполнении данной работы в качестве УНИРС исследуют влияние концентрации введенного в гидрозоль или латекс электро­лита на величину -потенциала. Строят зависимости электрофоретической подвижности и вели­чины -потенциала от количества введенного электролита.

Объект исследования и величины концентраций используемых электролитов определяет преподаватель.