Двойной электрический слой и электрокинетические явления

В дисперсных системах на поверхности частиц (на границе раздела частица-дисперсионная среда) возникает двойной электрический слой (ДЭС). Двойной электрический слой представляет собой слой ионов, образующийся на поверхности частицы в результате адсорбции ионов из раствора или диссоциации поверхностных соединений. Поверхность частицы приобретает слой ионов определенного знака, равномерно распределенный по поверхности и создающий на ней поверхностный заряд. Эти ионы называют потенциалопределяющими. К поверхности частицы из жидкой среды притягиваются ионы противоположного знака, их называют противоионами.

Первая теория строения ДЭС была развита Гельмгольцем и Перреном. В их представлении двойной электрический слой подобен плоскому конденсатору, внутренняя обкладка которого находится в твердой фазе, а внешняя — в жидкости параллельно поверхности ядра на расстоянии порядка диаметра иона. Потенциал электрического поля (р внутри ДЭС в этом случае линейно уменьшается с увеличением расстояния от поверхности г (рис. 17.12, а). Позднее Гуи и Чепмен предложили другую модель, согласно которой противоионы, благодаря тепловому движению, образуют вблизи твердой поверхности ядра диффузную ионную атмосферу. Уменьшение электрического потенциала ДЭС <�р с увеличением расстояния г в этом случае происходит нелинейно (рис. 17.12, б).

Рис. 17.12. Строение ДЭС:

а — по Гельмгольцу и Перрену; б — по Гуи и Чепмену; в — по Штерну (вверху — схема расположения противоионов, внизу — зависимость потенциала от расстояния) Предложенная Штерном модель строения ДЭС объединяет ранние модели, учитывая как адсорбцию противоионов, так и их тепловое движение. Согласно этой модели, являющейся в настоящее время общепринятой, часть противоионов находится на расстояниях порядка диаметра иона от поверхности ядра, образуя слой Гельмгольца (адсорбционный слой противоионов), а другая часть образует диффузный слой (рис. 17.12, в). Потенциал диффузной части двойного электрического слоя называют электрокинетическим потенциалом, обычно обозначают греческой буквой? (дзета) и называют поэтому потенциалом. Поскольку^{-потенциал} пропорционален заряду коллоидной частицы, агрегативная устойчивость золя пропорциональна его величине.

Таким образом, двойной электрический слой состоит из потенциалопределяющих ионов и слоя противоионов, расположенных в дисперсионной среде (рис. 17.13). Слой противоионов состоит из двух слоев:

Адсорбционный слой (плотный слой), примыкающий непосредственно к межфазной поверхности. Данный слой формируется в результате электростатического взаимодействия с потенциалопределяющими ионами и специфической адсорбции.

Диффузный слой, в котором находятся противоионы. Эти противоионы притягиваются к частице за счет электростатических сил. Толщина диффузного слоя зависит от свойств системы и может достигать больших значений.

Рис. 17.13. Строение двойного электрического слоя.

При движении частицы двойной электрический слой разрывается. Место разрыва при перемещении твердой и жидкой фаз друг относительно друга называется плоскостью скольжения. Плоскость скольжения лежит на границе между диффузными и адсорбционными слоями, либо в диффузном слое вблизи этой границы. Потенциал на плоскости скольжения называют электрокинетическим или дзета-потенциалом (^-потенциал).

Другими словами, дзета-потенциал — это разность потенциалов дисперсионной среды и неподвижного слоя жидкости, окружающего частицу.

Теории двойного электрического слоя широко используются для интерпретации поверхностных явлений. Однако не существует прямых методов измерения потенциалов на границе адсорбционного слоя. Для количественного определения величины электрического заряда в двойном электрическом слое широко используется дзета-потенциал. Дзета-потенциал не равен адсорбционному потенциалу или поверхностному потенциалу в двойном электрическом слое. Тем не менее, дзета-потенциал часто является единственным доступным способом для оценки свойств двойного электрического слоя. Знание дзета-потенциала важно во многих областях производственной и исследовательской деятельности.

Образование двойного электрического слоя приводит к появлению электрического потенциала, который убывает с расстоянием, и его значение в разных точках соответствует:

• — поверхностному потенциалу ?;
• — потенциалу адсорбционного слоя ??;
• — дзета-потенциалу ?

Если поместить золь в постоянное электрическое поле, то, как и в растворах электролитов, заряженные частицы будут двигаться к противоположно заряженным электродам: коллоидная частица с адсорбированными на пей противоионами — в одну сторону, противоионы диффузного слоя — в другую. Сила, с которой электрическое поле действует на частицы и, следовательно, скорость движения частиц, очевидно, будут пропорциональны^{-потенциалу.} Движение частиц дисперсной фазы в электрическом поле называется электрофорезом. Явление электрофореза можно наблюдать, поместив в U-образную трубку какой-либо окрашенный золь, поверх которого налит не смешивающийся с золем бесцветный электролит. Если опустить в электролит электроды и наложить разность потенциалов, то граница окрашенного золя в одном из колен трубки будет подниматься, в другом — опускаться (рис. 17.14). Если поместить в U-образную трубку пористую перегородку (например, мелкий кварцевый песок) и заполнить ее водой, то при наложении разности потенциалов в одном колене будет наблюдаться подъем уровня жидкости, в другом — его опускание (рис. 17.15). Движение дисперсной среды в электрическом поле относительно неподвижной дисперсной фазы (в рассмотренном случае — относительно поверхности пористых тел) называется электроосмосом. Явления электрофореза и электроосмоса получили общее название электрокинетических явлений.

Рис. 17.14. Схема опыта по электрофорезу.

Рис. 17.15. Схема опыта по электроосмосу.

Скорость движения частиц дисперсной фазы при электрофорезе, а также скорость движения дисперсной среды при электроосмосе прямо пропорциональны напряженности электрического поля Е и диэлектрической проницаемости дисперсионной среды є и обратно пропорциональны вязкости среды г|. Скорость движения частиц дисперсной фазы при электрофорезе U связана с величиной ?-потенциала уравнением Гельмгольца — Смолуховского (К — постоянная, зависящая от формы частиц дисперсной фазы; для сферических частиц К = 6):

(17.20).

Обратные электрофорезу и электроосмосу электрокинетические явления (так называемые электрокинетические явления второго рода) называются соответственно потенциалом седиментации и потенциалом протекания. Потенциал седиментации (эффект Дорна) — возникновение разности потенциалов при вынужденном движении дисперсной фазы относительно неподвижной дисперсионной среды (например, под действием силы тяжести). Потенциал протекания (эффект Квинке) есть явление возникновения разности потенциалов при движении дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы (например, при продавливании электролита через пористое тело).

Если поместить золь в постоянное электрическое поле, то, как и в растворах электролитов, заряженные частицы будут двигаться к противоположно заряженным электродам; коллоидная частица с адсорбированными па пей противоионами — в одну сторону, противоионы диффузного слоя — в другую. Сила, с которой электрическое поле действует на частицы и, следовательно, скорость движения частиц, очевидно, будут пропорциональны ?-потенциалу.