Рис. 1. Модели строения ДЭС: а-Гельмгольца; б-Гуи и Чепмена; в-Штерна; 1-потенциалобразующий слой ионов; 2,3-противоионы в адсорбционном (2) и диффузном (3) слоях; d-толщина адсорбционного слоя.
Было предложено несколько теорий образования ДЭС и его моделей. Простейшей из них является модель плоского конденсатора Гельмгольца (рис. 1а), согласно которой потенциалобразующий слой и противоионы расположены на молекулярном расстоянии друг от друга, взаимодействие между ними осуществляется только за счет электростатических сил, а падение потенциала между слоями происходит линейно.
Дальнейшее развитие теория ДЭС получила в работах Гуи и Чепмена на основе сопоставления электростатического взаимодействия противоионов с энергией их теплового движения. Согласно модели Гуи и Чепмена противоионы рассматриваются как точечные заряды, не имеющие собственных размеров, расположенные в диффузном слое (рис. 1б), а потенциал экспоненциально снижается по мере удаления от поверхности.
Согласно теории Штерна, которую можно рассматривать как основу современного представления о структуре ДЭС (рис. 1в), противоионы находятся в двух положениях: одна их часть образует адсорбционный слой (иногда его называют плотным слоем, или слоем Гельмгольца). Другая часть противоионов находится в диффузном слое. В отличие от адсорбционного слоя противоионы диффузного слоя не закреплены; в результате диффузии и взаимного отталкивания они способны перемещаться в пределах диффузного слоя в глубь жидкости. Точки А и Б на (рис. 1в) характеризуют потенциалы адсорбционного и диффузного слоев.
Диэлектрическая проницаемость адсорбционного слоя существенно меньше диэлектрической проницаемости раствора, так как помимо противоионов в него входят ориентированные полярные молекулы среды. Адсорбционный слой противоионов формируется в результате электростатического взаимодействия с ионами потенциалобразующего слоя и специфической адсорбции.
ДЭС может возникнуть на частицах, находящихся в полярной среде, и в отсутствие электролитов, вследствие ориентации диполей (более полярных по сравнению с неполярной средой примесей), а также частичной поверхностной диссоциации полярных частиц, если в жидкой среде присутствуют хотя бы следовые количества воды.
На (рис. 2а) представлена структура ДЭС в случае плоской поверхности. У сферических частиц (рис. 2б) ионы потенциалобразующего (1) и адсорбционного (2) слоев копируют форму частиц. Толщина адсорбционного слоя d в случае плоской поверхности простирается от поверхностного твердого тела до линии АА. Относительное перемещение заряженных частиц и жидкости происходит не по границе твердого тела с жидкостью, а за пределами этой границы по плоскости (границе) скольжения. На (рис. 2а) проекция границы скольжения показана линией ББ.
Рис. 2. Строение ДЭС для плоской поверхности (а) и для частиц дисперсной фазы (б).
При движении частиц дисперсной фазы часть жидкости, находящаяся на поверхности твердого тела до границы скольжения, увлекается частицами и перемещается вместе с ними. В случае движения дисперсионной среды эта часть жидкости остается на поверхности твердого тела и является неподвижной. Поверхность, разделяющая адсорбционный и диффузный слои противоионов, и граница скольжения не совпадают: они расположены на различных расстояниях от твердого тела (линии АА и ББ на рис. 3). Как правило, граница скольжения находится на несколько большем расстоянии от поверхности твердого тела, чем адсорбционный слой. По границе скольжения происходит взаимное перемещение дисперсной фазы и дисперсионной среды. Потенциал, возникающий на границе между адсорбционным и диффузным слоем (по линии АА согласно рис. 3), называется потенциалом диффузного слоя и обозначается через jД.
Рис. 3. Изменение j-потенциала (ББ - граница скольжения). | Рис. 4. Изоэлектрическая точка (ИЭТ) и перезарядка поверхности. |
Потенциал j ДЭС снижается по мере удаления от поверхности твердого тела. Причем в адсорбционном, наиболее плотном слое ДЭС наблюдается линейное снижение j-потенциала. Нарушение линейной зависимости происходит на границе между адсорбционным и диффузным слоями противоионов (линия АА), а в диффузном слое снижение j-потенциала происходит по экспоненциальному закону и не так резко, как в адсорбционном слое.
Потенциал на границе скольжения (линия ББ), которая располагается в диффузном слое, называют электрокинетическим, или дзета-потенциалом и обозначают через x.
Дзета-потенциал является важнейшей характеристикой двойного электрического слоя: он определяет возможность и скорость относительного перемещения дисперсной фазы и дисперсионной среды, интенсивность электрокинетических явлений, устойчивость золей и разрушение дисперсных систем электролитами. Значения x-потенциала можно достаточно точно измерить, его знак определяется знаком заряда потенциалобразующего слоя: если потенциалобразующий слой формируется из анионов, x-потенциал будет отрицательным, если он образуется из катионов – положительным.
Изменение x-потенциала зависит от свойств среды и наличия в ней противоионов. Добавление в дисперсную фазу одновалентных противоионов приводит к сжатию диффузного слоя и снижению x-потенциала. Когда все противоионы будут находится в адсорбционном слое (прямая 1, рис. 4), происходит полная компенсация потенциалобразующего слоя, и x-потенциал становится равным нулю. Точку, характеризующую подобное состояние ДЭС, когда x=0, называют изоэлектрической точкой (ИЭТ).
Добавление многовалентных катионов, например Fe3+, может привести к адсорбции противоионов в сверхэквивалентных количествах. В этих условиях произойдут перезарядка поверхности (линия 2, рис. 4) и изменение знака x-потенциала: из отрицательного (рис. 3) он становится положительным (рис. 4). В приведенных на рис. 3 и рис. 4 схемах потенциалобразующие ионы несут отрицательный заряд. Однако все приведенные выше рассуждения справедливы и для положительно заряженного потенциалобразующего слоя.
Таким образом, значения x-потенциала могут быть отрицательными или положительными, а в определенных условиях он становится равным нулю.
Следует подчеркнуть, что мы рассмотрели механизм образования ДЭС простейшей структуры. Фактически структура ДЭС более сложная: она определяется неоднородностью поверхности твердых тел, особенно кристаллов, присутствием оксидной пленки металлов и дигидроксидов неметаллов; распределением зарядов с учетом их дискретности, т. е. неоднородности.
ДЭС и x-потенциал как его основная характеристика формируется на твердых поверхностях, окруженных раствором электролитов, а также при образовании мицелл. Мицелла - это электрически нейтральная коллоидная частица, которая в отличие от других коллоидных систем образуется в результате взаимодействия растворенных веществ, например:
KI+AgNO3=AgI¯+KNO3.
В данном случае дисперсная фаза состоит из молекул AgI. В избытке раствора KI на поверхности будут адсорбироваться ионы I-, которые составляют потенциалобразующий слой. Катионы K+ формируют адсорбционный и диффузный слои. Условно мицелла записывается следующим образом:
{mAgInI-(n-x)K+}х- xK+
Для того чтобы расшифровать эту запись, обратимся к (рис. 2б): mAgI - это молекулы AgI, формирующие дисперсную фазу, т. е. то, что на рисунке обозначено буквой Т; nI - - число ионов потенциалобразующего слоя 1, определяющих j-потенциал; xK+, (n-x)K+ - число ионов K+ в диффузном 3 и адсорбционном 2 слоях соответственно.
Электрокинетические явления
Электрический заряд может возникать на любой твердой поверхности, находящейся в контакте с жидкостью. 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 в результате перемещения частиц дисперсной фазы или дисперсионной среды. Несмотря на различие электрокинетических явлений, все они связаны с наличием двойного электрического слоя и определяются x-потенциалом, который именно поэтому называется электрокинетическим.
Внешнее электрическое поле вызывает такие электрокинетические явления дисперсных систем, как электрофорез и электроосмос.
Рис. 5. Схема электрофореза. (1-3 - см. рис. 1)
Электрофорез-это перемещение под действием электрического поля частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды. Схема электрофореза показана на (рис. 5), где частица дисперсной фазы для наглядности дана в увеличенном масштабе. При наложении внешнего электрического поля частицы дисперсной фазы начинают двигаться к электроду, знак заряда которого противоположен знаку x-потенциала; направление движения частиц на рис. показано стрелкой.
Движение частиц при электрофорезе обусловлено притяжением разноименных зарядов. Противоионы в этом слое подвижны, распределяются неравномерно и не в состоянии экранировать действие внешнего электрического поля на частицы дисперсной фазы. Движение частиц происходит по границе скольжения (линия ББ, рис. 2б).
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 движения частиц. Этот эффект называют электрофоретическим торможением.
При электрофорезе происходит движение частиц дисперсной фазы в направлении силовых линий электрического поля. Электрофорез используют для получения новых материалов, нанесения покрытий, очистки веществ от примесей и выделения продуктов. В медицине электрофорез применяют для введения лекарственных веществ. На кожу пациента накладывают тампон, смоченный раствором лекарственного препарата, а сверху – электроды, к которым приложен низкий, безопасный для организма потенциал. В ходе этой процедуры частички лекарственного препарата под действием электрического поля переходят в ткани организма человека.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 |
Основные порталы (построено редакторами)