Электрические свойства коллоидных растворов

ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

В ГИДРОФОБНЫХ ЗОЛЯХ

В 1808 году профессор Московского университета Ф. Ф. Рейсе, изучая процесс электролиза воды, попытался разделить продукты электролиза. С этой целью он заполнил среднюю часть U–образной трубки электролизера толченым кварцем (т. е. создал капиллярно-пористую перегородку) и подал на электроды постоянное внешнее напряжение (рис. 8.1). Он обнаружил, что вода перемещается в сторону отрицательного электрода. При разности потенциалов на электродах, равной 100 В, разность уровней воды в коленах трубки составляла примерно 20 см. Это явление получило название электроосмоса. Поскольку в отсутствие капиллярно-пористой перегородки движения воды не наблюдалось, последовал вывод, что вода при контакте с кварцем приобретает положительный заряд.

Электроосмос – это явление переноса дисперсионной среды через неподвижную капиллярно-пористую перегородку под действием внешнего электрического поля.

Следовательно, электроосмос является процессом несамопроизвольным, на его осуществление затрачивается электрическая работа.

Рис.8.1. Схема электроосмоса

Далее Рейсе поставил следующий опыт. Он погрузил во влажную глину две стеклянные трубки, заполнил их водой, в трубки ввел электроды и подал на них постоянное напряжение. Он обнаружил, что вода перемещается к отрицательному электроду (как в предыдущем опыте), и одновременно частицы глины перемещаются к положительному электроду (вода в трубке с положительным электродом мутнела, в то время как в другой трубке оставалась прозрачной). Это явление получило название электрофореза.

Электрофорез – это явление переноса частиц дисперсной фазы под действием внешнего электрического поля.

Роль капиллярно–пористой перегородки играла влажная глина. Схема электрофореза представлена на рис. 8.2. Таким образом, при наличии неподвижной капиллярно–пористой перегородки под действием постоянного электрического поля передвигается дисперсионная среда (электроосмос) и дисперсная фаза (электрофорез).

Рис.8.2. Схема электрофореза

Было естественным предположить возможность осуществления противоположных процессов, т.е. получить разность потенциалов на капиллярно-пористой перегородке при движении через нее дисперсионной среды или частиц дисперсной фазы.

В 1859 году Квинке обнаружил явление, противоположное электроосмосу, названное потенциалом течения. Потенциал течения – это явление возникновения разности потенциалов на электродах, расположенных по обеим сторонам неподвижной капиллярно–пористой перегородки при продавливании через нее жидкости.

Квинке наблюдал возникновение разности потенциалов при течении воды и водных растворов через разнообразные пористые материалы (глина, дерево, песок, графит и др.). Это явление характерно и для живых организмов. Например, при движении крови в артериях возникает не большой потенциал течения (~0,001~0,002 В), имеющий, однако, важное биологическое значение. Одна из волн, наблюдаемых на электрокардиограммах, обусловлена этим потенциалом.

В 1878 г. Дорн открыл явление, обратное электрофорезу, названное потенциалом седиментации (осаждения).

Потенциал седиментации – это явление возникновения потенциалов на электродах, расположенных на разной высоте в сосуде, в котором происходит оседание частиц дисперсной фазы.

Таким образом, разность потенциалов возникает в результате движения частиц. Схематически возникновение потенциала течения и потенциала седиментации показано на рис. 8.3 и 8.4.

Рассмотренные явления – электроосмос, электрофорез, потенциал течения и потенциал седиментации – объединяют под общим названием электрокинетические явления, поскольку они связаны с электрическим полем и полем скоростей (кинетическим полем).

Эти явления находят широкое применение: электроосмос – для ускорения сушки торфа, древесины и пр., дубления кожи, очистки дисперсионной среды золей, а также воды, пропитки материалов различными композициями, в электрохимических приборах и т.д.; электрофорез – для получения чистого каолина из глинистой суспензии, нанесения покрытий на поверхности сложных конфигураций, например, грунтовки кузовов автомобилей, для обезвоживания, в медицине как метод введения лекарственных средств в организм человека и т. д.

Рис.8.3. Схема возникновения потенциала течения

Рис. 8.4. Схема возникновения потенциала седиментации

С явлениями потенциала течения и потенциала седиментации приходится считаться в производствах, в которых осуществляется транспортировка жидкостей (перекачка технологических растворов, жидкого топлива), осаждение суспензий и эмульсий при разделении фаз и т.д. На концах трубопроводов и аппаратов могут возникать высокие разности потенциалов, которые являются причиной искровых разрядов, вызывающих пожары и взрывы.

Очевидно, что причина электрокинетических явлений заключена в противоположности знаков зарядов твердой частицы и жидкой дисперсионной среды. С современной точки зрения на поверхности твердой фазы существует двойной электрический слой (ДЭС).

ПУТИ ОБРАЗОВАНИЯ ДЭС

Возможны два принципиально разных пути образования ДЭС – избирательная адсорбция поверхностью твердой частицы ионов из дисперсионной среды и ионизация поверхностных молекул твердой частицы.

Рассмотрим их подробнее.

1. Избирательная адсорбция. Здесь возможны два случая.

а) Избирательная адсорбция ионов, способных достраивать кристаллическую решетку частицы дисперсной фазы.

В соответствии с правилом Панета–Фаянса (см. раздел 5.7), на поверхности твердой частицы избирательно адсорбируются только те ионы, которые способны достроить ее кристаллическую решетку или изоморфны с ней.

Предположим, что твердые частицы хлорида серебра диспергированы в водном растворе хлорида калия.

В данном случае на поверхности будут сорбироваться ионы С1^-, так как они входят в состав кристаллической решетки и будут придавать частице отрицательный заряд, одновременно прилегающая к частице жидкая среда приобретает положительный заряд, т. е. возникает ДЭС. Ионы, которые придают заряд твердой частице, называются потенциалопределяющими, противоположно заряженные – противоионами.

б) Избирательная адсорбция без достройки кристаллической решетки. Этот случай имеет место, когда в растворе имеются ионы, обладающие большой адсорбционной способностью – Н⁺ или ОН^-. Примером может служить возникновение ДЭС на границе, частицы твердого парафина–водный раствор щелочи. ДЭС образуется в результате избирательной адсорбции ионов ОН^-.

2. Ионизация поверхностных молекул твердой частицы. Здесь также возможны два случая.

а) В случае гидрозолей металлов в раствор переходят катионы металлов, твердая поверхность заряжается отрицательно, а дисперсионная среда положительно (подобно тому, как это происходит при возникновении электродного потенциала). Например:

б) В случае некоторых оксидов, кислот, белков и т. д. с твердой поверхности в дисперсионную среду переходят ионы одного заряда, ионы с противоположным зарядом остаются на твердой частице и являются потенциалопределяющими.

Пример: гидрозоль диоксида кремния SiO₂. Поверхностные молекулы реагируют с водой, образуя кремниевую кислоту, которая диссоциирует, отдавая в дисперсионную среду ионы Н⁺.

H₂SiО₃ Н⁺ + HSiO^3-

Твердая частица при этом заряжается отрицательно, а среда –положительно. Поэтому при соприкосновении воды с толченым кварцем среда заряжается положитель­но и перемещается к отрицательному электроду.

Аналогичная картина наблюдается при помещении стекла в водный раствор, так как основу стекла составляют силикаты.