Механизмы образования двойного электрического слоя. Потенциал течения и седиментации. Релаксационный эффект и электрофоретическое торможение. Современная теория строения двойного электрического слоя. Практическое использование электрокинетических явлений.
Аннотация к работе
Современная коллоидная химия - учение о высокораздробленном состоянии вещества - с полным правом может быть названа наукой о коллоидах и поверхностях. В более широком смысле определение дисперсности может быть представлено так: дисперсной называют систему, состоящую из дисперсной фазы, которая представляет собой совокупность раздробленных частиц, и непрерывной дисперсионной среды, в которой во взвешенном состоянии находятся эти частицы. При воздействии на дисперсную систему электрического поля можно наблюдать перемещение дисперсной фазы и дисперсионной среды друг относительно друга. Явление перемещения жидкости в пористых телах под действием электрического поля получило название электроосмоса, а явление перемещения частиц - электрофореза. Квинке обнаружил явление, обратное электроосмосу, т.е. при течении жидкости через пористое тело под действием перепада давлений возникает разность потенциалов.При контакте двух конденсированных фаз свойства поверхностного слоя каждой фазы под воздействием второй фазы изменяются. В результате поверхностные слои жидких и твердых тел по структуре, химическим и физическим свойствам значительно отличаются от внутренних объемов этих фаз.Двойной электрический слой возникает при контакте двух фаз, из которых хотя бы одна является жидкой. Стремление системы понизить поверхностную энергию приводит к тому, что частицы на поверхности раздела фаз ориентируются особым образом. Вследствие этого контактирующие фазы приобретают заряды противоположного знака, но равной величины, что приводит к образованию двойного электрического слоя.Двойной электрический слой состоит из ионов одного знака, относительно прочно связанных с дисперсной твердой фазой (потенциалопределяющие ионы), и эквивалентного количества противоположно заряженных ионов, находящихся в жидкой среде вблизи межфазной поверхности (противоионы).Гельмгольц предложил первую модель двойного электрического слоя. Смолуховским и Ж. перреном, двойной электрический слой рассматривается как заряженный плоский конденсатор. На поверхности находится слой ионов, называемых потенциалобразующими, а на некотором расстоянии от нее в жидкой фазе находятся, удерживаемые силой электростатического притяжения, ионы противоположного знака, называемые противоионами. Скачок потенциала для модели Квинке - Гельмгольца рассчитывается по известной формуле для плоского конденсатора q=C??, в которой С - емкость плоского конденсатора на единицу площади, причем С=0*(1/?)(0 - диэлектрическая проницаемость среды; ? - расстояние между обкладками конденсатора - толщина слоя Гельмгольца).Дальнейший шаг в развитии теории строения двойного электрического слоя был сделан Л. Используя представления статической термодинамики, эти авторы предложили модель, согласно которой противоионы, не связанные жестко с поверхностью, в отличие от потенциалопределяющих ионов образуют не плоский, а размытый слой, причем концентрация зарядов в нем плавно падает с увеличением расстояния от поверхности. Его формирование определяется двумя противоположными процессами: притяжением ионов к поверхности за счет электростатического взаимодействия, в связи с чем концентрация их у поверхности должна возрастать, и оттоком ионов из области высоких концентраций, т.е. вблизи поверхности, в объем в результате диффузии.[3] Если воспользоваться распределение Больцмана, то концентрацию анионов в любой точке диффузного слоя можно определить по уравнению: (2) где - концентрация анионов в объеме( на «бесконечном» удалении от заряженной поверхности); z_ - заряд анионов; F - постоянная Фарадея( F=96485, 33289 Кл*моль ); ? - разность потенциалов в данной точке и в объеме жидкости( на «бесконечном» удалении от поверхности), В.Современная теория строения двойного электрического слоя основана на представлениях немецкого физика Отто Штерна (1924 г.), который объединил две предыдущие теории. Рассмотрим строение двойного электрического слоя на конкретном примере - золе AGI, образованном взаимодействием растворов AGNO3 и KI. В зависимости от того, какой реагент находится в избытке, на поверхности кристалла AGI могут адсорбироваться ионы Ag или I-. Пусть адсорбировались ионы Ag , которые были взяты в избытке (в данном случае заряд поверхности положительный), как изображено на рис. Плотность поверхностного заряда (?s, Кл/м2) определяется количеством потенциалопределяющих ионов на единице площади ni = ГINА (Гі - удельная адсорбция этих ионов, моль/м2; NA - число Авогадро) и их зарядом (z): ?s = zeni =ZFГI (4) где e - заряд электрона; F = 96485 Кл/моль - число Фарадея.При относительном смещении фаз происходит разрыв двойного электрического слоя по плоскости скольжения(как правило, в диффузной части)(рис. Плоскость скольжения обычно проходит по диффузному слою, и часть его ионов остается в дисперсной среде. Потенциал, возникающий на плоскости скольжения при отрыве части диффузного слоя, называется электрокинетическим потенциалом или-потенциалом. Дзета-потенциал, отражая свойства двойного электрического слоя, характеризует п
План
Содержание
Введение
1. Двойной электрический слой
1.1 Механизмы образования двойного электрического слоя
1.2 Строение двойного электрического слоя
1.3 Теория Гельмгольца
1.4 Теория Гуи
1.5 Теория Штерна
2. Электрокинетический потенциал
3. Электроосмос
4. Электрофорез
5. Потенциал течения и седиментации
6. Практическое использование электрокинетических явлений
Список использованных источников
Введение
Современная коллоидная химия - учение о высокораздробленном состоянии вещества - с полным правом может быть названа наукой о коллоидах и поверхностях. Основной коллоидно-химической характеристикой является дисперсность, т.е. рассеянность (раздробленность) вещества.
В более широком смысле определение дисперсности может быть представлено так: дисперсной называют систему, состоящую из дисперсной фазы, которая представляет собой совокупность раздробленных частиц, и непрерывной дисперсионной среды, в которой во взвешенном состоянии находятся эти частицы. [2]
При воздействии на дисперсную систему электрического поля можно наблюдать перемещение дисперсной фазы и дисперсионной среды друг относительно друга. Отсюда следует, что части системы электрически заряжены.
В коллоидных системах, особенно с водной дисперсионной средой, исключительно велика роль электрического заряда на поверхности частиц.
Впервые электрокинетические явления были открыты профессором Московского университета Ф.Ф.Рейсом в 1808г. при исследовании электролиза воды.
Явление перемещения жидкости в пористых телах под действием электрического поля получило название электроосмоса, а явление перемещения частиц - электрофореза.
В 1859г. Квинке обнаружил явление, обратное электроосмосу, т.е. при течении жидкости через пористое тело под действием перепада давлений возникает разность потенциалов. Возникновение разности потенциалов Квинке наблюдал при течении воды и водных растворов через разнообразные пористые материалы (глина, дерево, графит и др.). Это явление получило название потенциала течения (или потенциала протекания). [3]
Количественное исследование эффекта, обратного электрофорезу, впервые было выполнено Дорном в 1878г. Он измерял возникающую разность потенциалов при седиментации частиц суспензии кварца в центробежном поле. Явление возникновения разности потенциалов при осаждении дисперсной фазы получило название потенциала седиментации (или потенциала оседания).
Таким образом, по причинно-следственным признакам электрокинетические явления в дисперсных системах делят на две группы: 1) Электрокинетические явления первого рода - относительное перемещение фаз под действием приложенного напряжения. К ним относятся: электрофорез и электроосмос.
2) Электрокинетические явления второго рода - возникновение разности потенциалов вследствие вынужденного относительного движения фаз; различают: потенциал седиментации(эффект Дорна) и потенциал течения(эффект Квинке).
Наибольшее практическое применение получили электрофорез и электроосмос.