Электрические свойства коллоидных систем

Электрокинетические явления

Электрокинетические явления были открыты профессором петербургского университета Ф. Ф. Рейссом в 1808 г. Он обнаружил, что если в кусок влажной глины вставить две стеклянные трубки, заполнить их водой, опустить в воду электроды и подать на них постоянное электрическое поле, то наблюдается перемещение частичек глины к одному из электродов. В воде при этом появляется помутнение. Явление перемещения коллоидных частиц в электрическом поле было названо электрофорезом, или катафорезом.

В другом опыте Рейсс в указанные трубки насыпал еще и слой речного песка. При подаче разности потенциала на электроды, расположенные на границе песка и воды, наблюдалось поднятие уровня воды в трубке с катодом и понижение уровня воды в трубке с анодом. Явление переноса жидкости через капиллярно-пористое тело под действием электрического поля получило название электроосмоса.

В конце XIX в. были открыты явления, противоположные описанным. Так, Г. Г. Квинке установил, что при покачивании воды через пористое тело или тонкий капилляр на концах последних появляется разность потенциалов. Это явление, обратное электроосмосу, получило название потенциала течения.

Э. Дорн в 1980 г наблюдал, что при осаждении дисперсных частиц в воде, возникает разность потенциалов на электродах, расположенных на разной высоте сосуда, в котором происходит осаждение. Это явление, обратное электрофорезу, было названо потенциалом седиментации, или эффектом Дорна.

Все описанные явления получили название «электрокинетические явления». Они обусловлены наличием на межфазных поверхностях двойного электрического слоя (ДЭС), в результате чего поверхность со стороны одной фазы заряжается положительно, а со стороны другой — отрицательно. Ознакомимся с закономерностями образования и существования ДЭС.

Механизмы образования двойного электрического слоя

Известны следующие механизмы образования двойного электрического слоя:

• 1) диссоциация поверхностных функциональных групп, например, диссоциация поликремневых или алюмополикремневых кислот, образующихся за счет поверхностной гидратации при контакте с водой силикатов или алюмосиликатов;
• 2) поверхностная ионизация, связанная с переходом ионов или электронов из одной фазы в другую. Так, поверхность кристаллов Agl, погруженных в воду, приобретает отрицательный заряд, а прилегающий слой воды — положительный, в результате преимущественного перехода в воду ионов Ag+ (они сильнее гидратируются, чем ионы 1~).

При погружении кристаллов Agl в водный раствор солей серебра, например, AgN0₃ происходит достройка кристаллической решетки Agl ионами Ag⁺ из раствора. В результате чего твердая поверхность заряжается положительно, а прилегающий слой воды за счет избытка там ионов N0₃^_ — отрицательно.

Ионы, способные таким образом достраивать кристаллическую решетку солей или металлов, называют неиндифферентными (потенциалопределяющими). Согласно правилу Пескова — Фаянса, достраивать кристаллическую решетку могут следующие ионы:

• • ионы, входящие в состав кристаллической решетки (как в описанном случае);
• • ионы, образующие с одним из ионов кристаллической решетки труднорастворимые соли. Так, в рассмотренном случае достраивать решетку Agl могли бы и ионы С~, Bn, CNSи др.
• 1. Адсорбция ионов, не входящих в состав кристаллической решетки. Катионы и анионы в силу различия их поляризуемости, гидратируемости и т. д. адсорбируются по-разному. Преимущественная адсорбция одного из ионов на твердой поверхности приводит к образованию ДЭС. Например, в системе «металл — водный раствор NaCl» ионы С1~ адсорбируются сильнее, чем ионы Na+ (при одинаковом заряде ион Ch имеет больший радиус). В результате поверхность металла заряжается отрицательно, а прилегающий к ней слой воды — положительно.

Особо сильной адсорбционной способностью из водных растворов обладают органические ионы. Так, в лабораторном практикуме часто применяются полистирольные латексы — дисперсии частиц полистирола в воде, получаемые полимеризацией стирола в присутствии ПАВ. Стабилизирующий систему двойной электрический слой на поверхности частиц латекса образуется в результате адсорбции молекул ионогенных ПАВ, например, олеата натрия C₁₇H₃₅COONa.

2. Поляризация поверхности за счет внешнего электрического поля. Такая поляризация наблюдается у ртутного электрода, погруженного в раствор-электролит.