к списку лекций
1.Причина возникновения электрокинетических явлений.
2.Электрокинетический потенциал.
3.Электроосмос.
4.Электрофорез.
5.Уравнение Гельмгольца-Смолуховского.
Потенциал j ДЭС снижается по мере удаления от поверхности твердого тела. Причем, в адсорбционном слое наблюдается линейное снижение потенциала. Нарушение линейной зависимости происходит на границе между адсорбционным и диффузным слоями противоионов, в диффузном слое снижение потенциала происходит по экспотенциальному закону и не так резко, как в адсорбционном слое. Потенциал на границе скольжения (рис.6.1, линия ББ) называют электрокинетическим или дзета-потенциалом x.
На границе скольжения происходит относительное перемещение заряженных частиц и жидкости.
jд – потенциал на границе между адсорбционным и диффузным слоем.
d - толщина адсорбционного слоя.
Дзета-потенциал - важнейшая характеристика ДЭС, он определяет возможность и скорость относительного перемещения дисперсной фазы и дисперсионной среды, интенсивность электрокинетических явлений, устойчивость золей и разрушение дисперсных систем электролитами.
Значение x-потенциала можно достаточно точно измерить, его знак определяется знаком заряда потенциалообразующего слоя. Если потенциалообразующий слой формируется из анионов, дзета-потенциал будет отрицательным, если образуется из катионов - положительным.
Изменение дзета-потенциала зависит от свойств среды и наличия в ней противоионов. Добавление в дисперсную фазу одновалентных противоионов приводит к сжатию диффузного слоя и снижению дзета-потенциала. Когда все противоионы будут находится в адсорбционном слое происходит полная компенсация потенциалообразующего слоя и дзета-потенциал становится равным нулю. Точку, характеризующую подобное состояние ДЭС, называют изоэлектрической точкой (ИЭТ).
Появление значительного заряда поверхности является причиной возникновения особых электрокинетических явлений, характерных только для дисперсных систем.
Электрокинетическими называют такие явления, которые возникают при воздействии электрического поля на дисперсные системы и в результате перемещения частиц дисперсной фазы или дисперсионной среды. Несмотря на различие электрокинетических явлений, все они связаны с наличием ДЭС и определяются дзета-потенциалом.
Внешнее электрическое поле вызывает такие электрокинетические явления, как электрофорез и электроосмос.
Электрофорез - это перемещение под действием электрического поля частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды (рис.6.2).
1 - потенциалоопределяющий слой ионов.
2 - противоионы в адсорбционном слое.
3 - противоионы в диффузном слое.
При наложении внешнего электрического поля частицы дисперсной фазы начинают двигаться к электроду, знак которого противоположен знаку дзета-потенциала.. Движение частиц происходит по плоскости скольжения ( ББ, рис.6.1).
В процессе электрофореза нарушается сферическая симметрия диффузного слоя противоионов, и он начинает двигаться в сторону, противоположную движению частиц. Противоположно направленный поток частиц диффузного слоя тормозит движение частиц. Этот эффект называют электрофоретическим торможением.
Электрофорез используют для получения новых материалов, нанесения покрытий, очистки веществ от примесей. В медицине электрофорез используют для введения лекарств. На кожу пациента накладывают тампон, смоченный раствором лекарственного препарата, а сверху электроды, к которым приложен безопасный для организма ток.
Электроосмос - перемещение дисперсионной среды под действием внешне
го электрического поля. Движение дисперсионной среды обусловлено притяжением разноименных зарядов.
Когда дзета-потенциал отрицательный, то положительно заряженные противоионы диффузного слоя притягиваются к отрицательному электроду. Положительно заряженные противоионы увлекают за собой жидкость, составляющую дисперсионную среду . В результате этого происходит движение жидкости, причем, перемещение жидкой дисперсионной среды происходит на границе скольжения.
Электроосмос используется, например, для обезвоживания древесины, грунта, продуктов питания.
Все электрокинетические явления связаны с относительным перемещением дисперсной фазы или дисперсионной среды, осуществляемой по границе скольжения. Их интенсивность определяют значением дзета-потенциала. Поэтому данную величину используют для оценки электрокинетических явлений.
ДЭС можно рассматривать в качестве конденсатора. Относительность движения дисперсной фазы и дисперсионной среды определяется силами f1 и f2. Сила f1 возникает в результате взаимодействия избытка зарядов потенциалообразующего слоя по отношению к адсорбционному слою, она характеризует заряд диффузного слоя и направлена параллельно границе скольжения, противодействуя силе трения.
f1 = EqВ (6.1)
Е - напряженность или градиент внешнего поля,
QB плотность заряда поверхности.
f2 - определяет трение жидкости при перемещении.
f2 = h(u/h) (6.2)
h - коэффициент трения, u - скорость движения жидкости, h – расстояние между поверхностями.
При установившемся движении эти силы равны, то есть:
ЕqВ = h(u/h) или u = (qBh/h)E (6.3)
(6.3) - определяет скорость взаимного перемещения дисперсной фазы и дисперсионной среды. Удельный заряд qB – можно связать с дзета-потенциалом.
z = (qBh/ea)
qB = (ea/h)z (6.4)
eа - абсолютная диэлектрическая проницаемость.
Подставляя равенство 6.4 в 6.3., получим уравнение Гельмгольца-Смолуховского:
u = (eаx/h)Е (6.5)
Скорость движения в расчете на единицу напряженности электрического поля называют электрофоретической подвижностью uЕ:
uЕ = u/Е = (eаx/h) (6.6)
С учетом формы частиц дисперсной фазы уравнения 6.5 и 6.6 принимают вид:
u = (eаx/hY)Е (6.7.)
uЕ = (eаx/hY) (6.8)
u - скорость, м/с,
uЕ - электрофоретическая подвижность, м2/(сВ),
y - коэффициент , зависящий от формы частиц,
x - дзета-потенциал, В,
Е - напряженость электрического поля, В/м.
y - для шарообразных частиц = 0,66.
y - для цилиндрических, ориентированных вдоль силовых линий электрического поля частиц = 1.
eа = ee0, где e - относительная диэлектрическая проницаемость,
e0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума ( e0 = 8,85*10-12Кл2/(н*м2).
Тогда
u = (ee0x/hy)Е = (8,85*10-12ex/hy)Е (6.9)
Согласно (6.9.) величины, которые определяют интенсивность электрофореза и электроосмоса, зависят от свойств среды (h, e), формы частиц (y), напряженности электрического поля (Е) и x,-потенциала, определяемого структурой ДЭС.
Электрофоретическая подвижность и x-потенциал можно определить экспериментально.
u обычно не превышает 5 810-8 м2/(сВ), а x-потенциал не превышает 100 мВ.