Тема 4. Электрокинетические явления в дисперсных системах

Частицы почти всех гидрозолей несут на себе электрические заряды, возникающие за счет образования на их поверхности двойного ионного (электрического) слоя (ДИС).

ДИС образуется либо благодаря избирательной адсорбции ионов из дисперсионной среды, либо из-за ионизации поверхностных молекул твердой частицы.

Случай избирательной адсорбции рассмотрим на примере золя, образованного твердыми частицами хлорида серебра диспергированными в водном растворе хлорида калия. В соответствии с правилом Панета-Фаянса на поверхности частиц будут сорбироваться ионы Cl^-, 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 ДИС. Ионы которые придают заряд твердой частице, называются потенциалопределяющими,противоположно заряженные — противоионами.

AgCl

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

K+

K+

K+

K+

K+

В случае ионизации поверхностных молекул частицы, ДИС возникает за счет перехода с твердой поверхности в дисперсионную среду ионов 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⁺

H₂SiO₃ ⇆ H⁺ + HSiO₃^–.

Твердая частица при этом заряжается отрицательно, а среда − положительно.

Слой противоионов, компенсирующих заряд твердой поверхности, состоит из двух частей: плотного слоя (адсорбционного слоя) и диффузного слоя.

На рисунке представ­лена схема строения ДИС и падение потенциала в нем.

Противоионы адсорбционного слоя (d) прочно связаны с заряженной частицей, образуя с ней единое целое — коллоидную частицу, называемую гранулой. Эти ионы равномерно распределены в слое, поэтому падение потенциала происходит линейно (φ_d).

Диффузный слой имеет толщину δ. Его образуют противоионы находящиеся от заряженной поверхности на расстоянии, большем d. Эти противоионы притягиваются к частице менее прочно, чем противоионы адсорбционного слоя, и при движении частицы отрываются от нее. Так как ионы в диффузном слое распределены неравномерно, то и падение потенциала в нем (φ_δ) происходит по криволинейной зависимости. Полное падение потенциала в ДИС называется термодинамическим потенциалом.

φ⁰ = φ_d + φ_δ

Падение потенциала в диффузной части двойного слоя называется электрокинетическим потенциалом или дзета-потенциалом. Дзета‑потенциал z является важной характеристикой ДИС: он определяет скорость относительного перемещения дисперсной фазы и дисперсионной среды, устойчивость золей и т. д.

Гранула с противоионами диффузного слоя составляет электронейтральную коллоидную частицу, называемую мицеллой.

Строение мицеллы лиофобного золя можно представить в виде формулы:

{n[AgCl]∙mCl^–· (m - x)К⁺}^x– · xК⁺,

где: n[AgCl] − агрегат молекул, mCl^– − потенциалопределяющие ионы адсорбционного слоя, (m-x)K⁺ − противоионы адсорбционного слоя, xK⁺ − противоионы диффузного слоя, в фигурные скобки заключена гранула мицеллы.

На величину дзета-потенциала влияют: добавка электролита, рН среды и другие факторы. Необходимо рассмотреть по учебнику характер этого влияния.

Все электрокинетические явления зависят от величины и знака дзета‑потенциала. Найти значение дзета-потенциала можно экспериментально, определелив скорость переноса в электрическом поле дисперсионной среды при электроосмосе или скорость движения частиц дисперсной фазы при электрофорезе. Необходимо ознакомиться с сущностью этих методов и методикой измерения по учебнику.

Уравнение, связывающее дзета-потенциал со скоростью электрофоретического переноса или уравнение Гельмгольца-Смолуховского:

,

где η − вязкость дисперсионной среды; U − скорость электрофоретического переноса или скорость движения частиц дисперсной фазы в электрическом поле; E − напряженность электрического поля (градиент потенциала) равная (V − разность электродных потенциалов, l − расстояние между электродaми); ε − диэлектрическая про­ни­цае­мость среды; ε₀ − диэлектрическая проницаемость вакуума

.

Для электроосмотического метода:

,

где c − удельная электрическая проводимость золя; n − объемная скорость, т. е. объем жидкости, перенесенной через пористую мембрану за единицу времени; I − сила тока, при которой проводился осмос.