Строение двойного электрического слоя

Существовало несколько теорий строения ДЭС, отметим наиболее значительные:

• теория Гельмгольца-Перрена (1879);

• теория Гуи-Чэпмена (1910–1913);

• теория Штерна (1924).

Отличие между этими теориями сводится, в основном, к различному толкованию структуры слоя противоионов. Не останавливаясь на рассмотрении этих теорий, перечислим современные представления:

1. ДЭС образован потенциалопределяющими ионами, находящимися на поверхности твердой частицы и эквивалентным количеством противоионов, находящихся в дисперсионной среде вблизи поверхности твердой частицы.

2. Потенциалопределяющие ионы прочно связаны с твердой частицей хемосорбционными силами и равномерно распределены по ее поверхности.

3. Дисперсионная среда рассматривается как непрерывная (бесструктурная) среда, характеризуемая диэлектрической проницаемостью и вязкостью .

4. ДЭС рассматривается как плоскопараллельный. Это допущение приемлемо, так как толщина ДЭС намного меньше, чем радиус кривизны поверхности твердой частицы (поэтому нам кажется плоской Земля, радиус которой около 6000 км, а расстояние, на которое видит человеческий глаз, значительно меньше).

5. Противоионы имеют конечные размеры и, следовательно, не могут подходить к твердой поверхности ближе, чем на расстояние одного ионного радиуса.

6. Слой противоионов, компенсирующих заряд твердой поверхности, имеет сложное строение и состоит из двух частей: плотного слоя (адсорбционного слоя или слоя Гельмгольца) и диффузного слоя (слоя Гуи).

7. Адсорбционный слой противоионов примыкает к заряженной поверхности твердой частицы и имеет толщину порядка диаметра гидратированного противоиона d. Те противоионы, которые находятся в этом пространстве, называются адсорбционными противоионами. Они связаны с заряженной твердой частицей двумя видами сил – адсорбционными и электростатическими. Эта связь является настолько прочной, что противоионы адсорбционного слоя перемещаются вместе с твердой частицей, не отрываются от нее, образуя с ней единое кинетическое целое – коллоидную частицу. Противоионы адсорбционного слоя равномерно распределены в слое, поэтому падение потенциала происходит линейно и равно d.

8. Диффузный слой имеет толщину , его образуют те противоионы, которые находятся от заряженной поверхности на расстоянии, большем d, но в пределах расстояния . Эти противоионы притягиваются к частице только электростатическими силами, а следовательно, менее прочно, чем противоионы адсорбционного слоя. При движении твердой частицы они от нее отрываются. На противоионы диффузного слоя большое влияние оказывает тепловое движение, которое стремится распределить их равномерно по всему объему системы. Его действие тем сильнее, чем дальше от заряженной поверхности находятся противоионы. Это приводит к установлению динамического равновесия в диффузном слое. Так как противоионы в диффузном слое распределены неравномерно, то и падение потенциала в нем ( ) происходит также неравномерно – по какой–то криволинейной зависимости.

9. Полное падение потенциала в ДЭС называется термодинамическим потенциалом :

Таким образом, в ДЭС происходит полная компенсация суммарного заряда твердой поверхности суммарным зарядом противоионов и на границе ДЭС с дисперсионной средой потенциал равен нулю.

Схема строения ДЭС представлена на рис. 8.5.

Электрически нейтральную коллоидную частицу называют мицеллой. Строение мицеллы лиофобного золя AgCl можно представить в виде формулы:

{n[AgCl]mAg⁺(m–x)NO₃^-}^x+*xNO₃,

где n – число молекул, образующих дисперсную частицу; m – число потенциалопределяющих ионов; (m–х) – число противоионов адсорбционного слоя; х – число противоионов диффузного слоя.

Рис.8.5. Строение двойного электрического слоя.

При движении частицы двойной электрический слой разрывается. Место разрыва при перемещении твердой и жидкой фаз относительно друг друга называется плоскостью скольжения или границей скольжения. На рис. 8.5 плоскость скольжения обозначена линией АВ. Плоскость скольжения лежит или на границе между диффузным cлоем и адсорбционным слоем, либо в диффузном слое, но вблизи этой границы.

Потенциал на плоскости скольжения называется электрокинетическим потенциалом или дзета–потенциалом

Дзета-потенциал является важнейшей характеристикой ДЭС: он определяет скорость относительного перемещения дисперсной фазы и дисперсионной среды, интенсивность электрокинетических явлений, устойчивость золей и т.д.

Величина дзета-потенциала определяется:

• величиной термодинамического потенциала и характером падения потенциала в ДЭС;

• характером движения жидкости вблизи твердой поверхности (он определяет местонахождение плоскости скольжения), который зависит, главным образом, от вязкости среды.