Электрокинетические свойства коллоидных растворов

Электрокинетическими называют процессы, связанные с взаимным относительным перемещением фаз в дисперсных системах. Электрокинетические свойства коллоидно-дисперсных систем определяются наличием двойного электрического слоя на границе раздела фаз, возникающего в результате как избирательной адсорбции ионов, так и диссоциации молекул, находящихся на поверхности фазы. В соответствии с правилом избирательной адсорбции Пескова - Панета - Фаянса, преимущественно адсорбируются ионы, входящие в состав адсорбента или образующие с его ионами малорастворимые соединения. Причиной всех электрокинетических явлений является наличие на границе раздела фаз двойного электрического слоя (ДЭС).

Различают следующие электрокинетические явления:

Электрофорез – это перемещение частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды по действием внешнего электрического поля к одному из электродов.

Электроосмос – перемещение дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы (капиллярно-пористых материалов, диафрагм) по действием внешнего электрического поля в сторону одного из электродов.

Потенциала течения – разность потенциалов при протекании дисперсионной среды через поры твердого тела под влиянием приложенного давления.

Потенциал оседания – разность потенциалов при седиментации частиц дисперсной фазы в гравитационном поле.

Скорость всех этих процессов определяется электрокинетическим потенциалом, или дзета-потенциалом (z-потенциал). Этот потенциал возникает на границе скольжения двух слоев дисперсионной среды: адсорбционного и диффузного (рис.4).

А

С

d

z

j

Рис.4 Строение двойного электрического слоя частицы

 

На границе раздела фаз (линия АВ) располагаются адсорбированные частицей потенциалопределяющие ионы. На рис.4 они заряжены положительно. На расстоянии, равном среднему ионному радиусу, расположен первый слой противоионов, в данном случае они имеют отрицательный заряд. Эти ионы входят в состав адсорбционного слоя частицы толщиной d, который связан с частицей и перемещается вместе с ней. Линия CD является границей скольжения, отделяющей адсорбционный слой частицы от диффузного, в котором в растворе диффузно распределен остаток общего заряда j, падающего асимптотически до нуля по мере удаления в глубину раствора. Толщина диффузного слоя раствора зависит от концентрации в нем электролитов и может меняться в широких пределах. Как следует из рис.4, дзета-потенциал, обнаруживаемый на границе движения слоев в электрическом поле, меньше общего термодинамического потенциала j и также зависит от толщины диффузного слоя.

Для определения дзета-потенциала измеряют скорость взаимного перемещения фаз при протекании электрокинетических явлений, таких как электрофорез или электроосмос.

Линейная скорость взаимного перемещения фаз в СИ вычисляется по формуле

u , (133)

где D – диэлектрическая проницаемость;e₀ – электрическая константа, равная 8,85 × 10^-12 Ф/м; h - вязкость среды; E/l - напряженность электрического поля, или градиент потенциала, включает разность потенциалов электродов Е и расстояние между ними l.

Если скорость измерена в сантиметрах в секунду, вязкость - в пуазах и напряженность поля – в вольтах на сантиметр, то расчетное уравнение имеет вид

u , (134)

где k – коэффициент, зависящий от формы частицы или капилляра, по которому движется жидкость (для сферических частиц и капилляров цилиндрической формы k = 4).

При наложении электрического поля равновесие в обкладках двойного электрического поля мицеллы нарушается. Электрически заряженная частица с находящимся на её поверхности адсорбционным (неподвижным) слоем противоионов, который нейтрализует часть заряда поверхности, начинает перемещаться к одному из полюсов, в то время как диффузное облако противоионов смещается в противоположном направлении. Данное явление перемещения частиц золя в электрическом поле к противоположному по знаку заряда частиц электроду и называется электрофорезом. Фиксируя электрофоретическое движение частиц, можно установить, каков знак заряда частиц, а также определить электрокинетический потенциал (z-потенциал), от которого зависит устойчивость частиц золя. Расчет z-потенциала производят по формуле:

, (135)

где η – вязкость среды; u – электрофоретическая скорость частицы; ε – диэлектрическая проницаемость; Н – градиент потенциала.

Градиент потенциала находят делением величины эдс Е на расстояние между электродами l в приборе для изучения электрофореза:

Н = . (136)

Уравнение (133) относится к частицам цилиндрической формы. Для частиц, имеющих сферическую форму, используют формулу:

. (137)

Величина электрокинетического потенциала зависит от концентрации ионов электролитов в растворе и от их заряда. Чем выше концентрация электролита, тем меньше толщина диффузионной части двойного электрического слоя и тем меньше потенциал. В предельном случае, когда все ионы диффузного слоя перейдут в адсорбционный слой, z-потенциал становится равным нулю.

 

Пример 34. Электрокинетический потенциал частиц гидрозоля 50 мВ. Приложенная внешняя э.д.с. равна 240 В, а расстояние между электродами 40 см. Вычислить электрофоретическую скорость частиц золя, если они имеют цилиндрическую форму. Вязкость воды 0,001 Н·сек/м², а диэлектрическая проницаемость среды 81.

Решение. Используем формулу (135), откуда

.

По формуле (136) определяем градиент потенциала Н:

Н= = .

- коэффициент, выражающий диэлектрическую проницаемость в единицах системы СИ ф/м.

Пример 35. Определить размер и знак дзета-потенциала суспензии кварца в воде (D = 81, вязкость 0,01 П), если смещение границы при электрофорезе в сторону анода за 20 мин составило 5 см. Градиент электрического поля равен 10 В/см.

Решение. При заданных условиях линейная скорость электрофореза

u = = 4,17 × 10^-3 см/с.

Значение электрокинетического потенциала может быть вычислено по уравнению (135)

z = = 0,05816 В или 58,16 мВ.

Знак заряда отрицательный, поскольку частицы перемещаются к положительному электроду.

Вариант 1

21. Вычислите электрофоретическую скорость частиц золя трехсернистого мышьяка, если z-потенциалчастиц равен 89,5 мВ; разность потенциалов между электродами – 240 В, расстояние между электродами – 20 см. Вязкость η=0,001 Н·сек/м² и диэлектрическая проницаемость =81. Форму частиц принять цилиндрической.

Вариант 2

21. Вычислите электрофоретическую скорость частиц глины, если z-потенциалчастиц равен 48,8 мВ. Разность потенциалов между электродами равна 220 В, а расстояние между ними – 44 см, вязкость - 0,001 Н·сек/м², а диэлектрическая проницаемость 81. Форма частиц сферическая.

Вариант 3

21. Вычислите электрофоретическую скорость частиц золота, если градиент потенциала равен 1000 В/м, а z-потенциал составляет 58 мВ. Вязкость среды 0,00114 Н·сек/м², а диэлектрическая проницаемость 81. Частицы имеют цилиндрическую форму.

Вариант 4

21. Вычислите градиент потенциала, если z-потенциал частиц золя гидроокиси железа равен 52,5 мВ, электрофоретическая скорость частиц 3,74·10^-4 см/сек. Вязкость среды 0,001005 Н·сек/м², а диэлектрическая проницаемость 81.Форма частиц – цилиндрическая.

Вариант 5

21. Вычислите z-потенциал частиц золя трехсернистого мышьяка, если при измерении электрофоретической скорости частиц приложенная внешняя э.д.с. равна 240 В, расстояние между электродами – 30 см, перемещение частиц за 10 мин – 14,36 мм, диэлектрическая проницаемость – 81, вязкость – 0,001005 Н·сек/м².

Вариант 6

21. Электрофорез золя гидроксида железа происходил при следующих условиях: градиент потенциала – 500 В/м, перемещение частиц за 10 мин на 12 мм, диэлектрическая проницаемость воды равна 81, вязкость 0,001 Н·сек/м². Вычислите z-потенциал частиц золя.

Вариант 7

21. Вычислите z-потенциал частиц золя гидроксида железа, используя следующие опытные данные: внешняя э.д.с. 200 В, расстояние между электродами 22 см, смещение границы золя происходит на 2 см за 15 мин. Диэлектрическая проницаемость равна 81, вязкость 0,001 Н·сек/м². Форму частиц считать сферической.

Вариант 8

21. Вычислите z-потенциал частиц суспензии, если электрофоретическая скорость частиц равна 1,99∙10^-4 см/сек. Падение потенциала составляет 0,57 В/см. Диэлектрическая проницаемость равна 81, вязкость среды 0,001 Н·сек/м². Частицы считать цилиндрической формы.

Вариант 9

21. Вычислите z-потенциал частиц глины, если при градиенте потенциала 10 В/см частицы проходят 5 делений шкалы за 5 сек (60 делений шкалы соответствует 1 мм). Вязкость среды 0,001 Н·сек/м², диэлектрическая проницаемость 81.

Вариант 10

21. Дана суспензиясульфида мышьяка (III) в воде (D = 81, вязкость 0,01 П). при разности потенциалов между электродами 240 В частицы дисперсной фазы за 10 мин переместились на 14,4 мм. Расстояние между электродами равно 30 см. Вычислите электрокинетический потенциал суспензии.