Электрокинетические явления

Электрокинетическими называются 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 избирательной адсорбции ионов или в результате 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.

Первый слой состоит из потенциалопределяющих ионов – тех ионов, которые создают заряд поверхности ц₀. Потенциалопределяющие ионы удерживаются на поверхности за счёт сил хемосорбции. К потенциалопределяющим ионам за счет сил электростатического взаимодействия из раствора притягиваются противоионы, которые создают слой II и слой III.

Слой II называется плотным слоем (слоем Штерна, слоем Гельмгольца). Внутри плотного слоя противоионы распределены равномерно. Плотный слой обычно имеет толщину порядка диаметра гидратированного иона d. Ионы плотного слоя примыкают к заряженной поверхности и связаны с нею двумя видами сил: адсорбционными и электростатическими. При движении коллоидной частицы в дисперсионной среде плотный слой остаётся связанным с дисперсной частицей. Эту часть ДЭС можно рассматривать, как плоский конденсатор, потенциал которого с увеличением расстояния от поверхности снижается линейно.

Слой III называется диффузным (или слоем Гуи). Толщина диффузного слоя δ существенно больше (может больше 10 нм) и сильно зависит от концентрации электролитов. При высоких концентрациях электролитов или при введении многозарядных ионов толщина δ мала и стремится к нулю. В пределе δ = 0 и частица не заряжена. В этом случае, противоионы адсорбционного слоя полностью компенсируют поверхностный заряд ядра. В результате достигается так называемое изоэлектрическое состояние, часто сопровождающиеся потерей агрегативной устойчивости системы.

В слое Гуи ионы распределены неравномерно и связаны только за счёт сил электростатического взаимодействия. По теории Гуи-Чепмена противоионы диффузной части ДЭС распределяются в поле поверхностного потенциала в соответствии с законом Больцмана. Потенциал в диффузной части слоя снижается с расстоянием по экспоненте. При перемещении коллоидной частицы в дисперсионной среде ионы диффузного слоя могут отрываться. При отрыве ионов диффузного слоя возникает электрокинетический или ζ-потенциал. Гипотетическая поверхность отрыва ионов диффузного слоя называется плоскостью скольжения.

Под действием электрического поля могут двигаться: дисперсная фаза относительно дисперсионной среды (электрофорез) или дисперсионная среда относительно дисперсной фазы (электроосмос). Механическое движение дисперсной фазы относительно дисперсионной среды (седиментация) вызывает возникновение электрической разности потенциалов (потенциал седиментации). Если электрическая разность потенциалов возникает при движении дисперсионной среды относительно дисперсной фазы, то такое явление называют потенциалом протекания.

Линейная скорость взаимного перемещения фаз под действием электрического поля определяется уравнением Гельмгольца-Смолуховского:

,

где ε – диэлектрическая проницаемость среды; ζ – электрокинетический потенциал; η – вязкость дисперсионной среды; Н – напряженность электрического поля,

,

где Е – разность потенциалов, В; L – расстояние между электродами, м.

При изучении явления электрофореза вместо линейной скорости используют понятие электрофоретической подвижности

.

Значение электрокинетического потенциала по данным о протекании электрофореза можно рассчитать по уравнению:

,

где η – вязкость среды, П; u – линейная скорость, см/с; Н – напряженность электрического поля, В/см; ε – диэлектрическая проницаемость среды; l – сдвиг границы золь – контактная жидкость, см; τ – время, с.

По экспериментальным данным о протекании электроосмоса величину электрокинетического потенциала определяют через объёмную скорость:

,

где χ – удельная электропроводность, См·см⁻¹; v – объёмная скорость, см³/с; I – сила тока, А.

Для определения дзета-потенциала можно воспользоваться также измерением потенциала протекания Е_Т. Для капилляров цилиндрической формы электрокинетический потенциал равен

 В,

где h – вязкость среды, П; χ – удельная электропроводность жидкости, См·см⁻¹; Е_Т – потенциал протекания, В; ε – диэлектрическая постоянная; p – давление, под которым проталкивается жидкость, мм рт. ст.