МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ХІМІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Курсова робота з фізичної хімії:
«Електрокінетичні явища в дисперсних системах»
Виконала:
студентка 3-у групи
Христич Ірина
Науковий керівник:
Філіпенко Т.А.
Біла Н.І.
Донецьк-2007
Зміст
Введення
I. Подвійний електричний шар
I.1.Механізми освіти подвійного електричного шару
I.2. Будова подвійного електричного шару
I.2.1. Теорія Гельмгольца
I.2.2.Теорія Гуи
I.2.3.Теорія Штерна
II. Електрокінетичний потенціал
III. Електроосмос та електрофорез
III.1.Електроосмос
III.2.Електрофорез
IV. Потенціал течії і седиментації
V. Практичне використання електрокінетичних явищ
Висновок
Література
Введення
Електрокінетичні явища були відкриті професором Московського університету Ф. Ф. Рейсом в 1808р. при дослідженні електролізу води.
Явище переміщення рідини в пористих тілах під дією електричного поля отримало назву електроосмосу, а явище переміщення частинок-електрофорезу.
У 1859р. Квінке виявив явище, зворотне електроосмос, тобто при течії рідини через пористе тіло під дією перепаду тисків виникає різниця потенціалів. Виникнення різниці потенціалів Квінке спостерігав при течії води та водних розчинів через різноманітні пористі матеріали (глина, дерево, графіт та ін.) Це явище отримало назву потенціалу течії (або потенціалу протікання).
Кількісне дослідження ефекту, зворотного електрофорез, вперше було виконано Дорном в 1878г. Він вимірював виникає різниця потенціалів при седиментації частинок суспензії кварцу у відцентровому полі. Явище виникнення різниці потенціалів при осадженні дисперсної фази отримало назву потенціалу седиментації (або потенціалу осідання).
Таким чином, з причинно-наслідковим ознаками електрокінетичні явища в дисперсних системах ділять на дві групи. До першої групи відносять явища, при яких відносний рух фаз обумовлено електричної різницею потенціалів; це електроосмос і електрофорез. До другої групи електрокінетичних явищ належать потенціал течії і потенціал седиментації, при яких відносний рух фаз викликає виникнення електричної різниці потенціалів.
Найбільше практичне застосування отримали електрофорез і електроосмос.
I. Подвійний електричний шар
Причина електрокінетичних явищ в тому, що на поверхні є подвійний електричний шар, що має дифузне будова і це призводить до того, що фаза і середовище заряджені протилежно. Оскільки частки прагнуть зменшити поверхневу енергію, то всі вони прагнуть адсорбуватися на поверхні.
I.1.Механізми освіти подвійного електричного шару
Існують наступні механізми утворення подвійного електричного шару:
1) Іонізація поверхні. Метал втрачає електрони і заряджається позитивно.
2) Виборча адсорбція іонів. Поверхня адсорбує іон більш близький за природою.
3) Освіта подвійного електричного шару за рахунок адсорбції на поверхні полярних молекул. Правило Кена: позитивно заряджається та фаза, яка має велику діелектричну проникність.
I.2. Будова подвійного електричного шару
Подвійний електричний шар складається з іонів одного знака, щодо міцно пов'язаних з дисперсної твердою фазою (потенциалопределяющих іони), і еквівалентної кількості протилежно заряджених іонів, що знаходяться в рідкому середовищі поблизу міжфазної поверхні (протівоіони). Заряд на поверхні твердої фази в першому наближенні розглядається як поверхневий заряд, рівномірно розподілений по всій поверхні. Між протиіонами і вільними (не входять до складу подвійного електричного шару) іонами того ж знака, що знаходяться в рідині, існує динамічна рівновага. Дисперсійне середовище представляється завжди як безперервна фаза, вплив якої на подвійний електричний шар визначається лише її діелектричною проникністю.
При таких передумовах відмінність між теоріями будови подвійного електричного шару полягає тільки лише в різному тлумаченні структури шару протиіонів.
I.2.1. Теорія Гельмгольца
Відповідно до цієї теорії подвійний шар представляється як би плоским конденсатором, одна обкладка якого пов'язана безпосередньо з поверхнею твердого тіла (стінкою), а інша обкладка, несуча протилежний заряд, знаходиться в рідині на дуже малій відстані від першої. Потенціал в такому подвійному шарі повинен падати по прямій, а значення поверхневого заряду
-Абсолютна діелектрична проникність середовища;
-Різницю потенціалів між обкладками конденсатора;
-Відстань між обкладками
На рис.1 дана схема будови такого подвійного електричного шару, він також ілюструє падіння потенціалу з збільшенням відстані x від поверхні твердого тіла.
Наведена схема будови подвійного електричного шару не пояснює ряд особливостей електрокінетичних явищ.
Основним недоліком є те, що товщина подвійного шару дуже мала і має молекулярну розмір. Дана теорія не може пояснити електроосмос і електрофорез. На площині ковзання
повинен виникнути електрокінетичний потенціал (
повинен дорівнювати загальному стрибка потенціалу. Теорія виконується,
якщо температура системи дорівнює 0 К (відсутній тепловий рух).
I.2.2.Теорія Гуи
Відповідно до цієї теорії протівоіони не можуть бути зосереджені тільки у міжфазної поверхні і утворювати моноіонний шар, а розсіяні в рідкій фазі на деякій відстані від кордону розділу. Така структура подвійного шару визначається, з одного боку, електричним полем у твердої фази, прагнуть притягти еквівалентну кількість протилежно заряджених іонів можливо ближче до стінки, а з іншого боку, тепловим рухом іонів, внаслідок якого протівоіони прагнуть розсіятися в усьому обсязі рідкої фази.
У безпосередній близькості від міжфазної межі переважає дію електричного поля. З віддаленням від міжфазної межі сила цього поля поступово слабшає і виявляється все сильніше розсіювання протиіонів подвійного шару в результаті теплового руху, внаслідок чого концентрація протиіонів падає і стає рівною концентрації тих же іонів, що знаходяться в глибині рідкої фази. Таким чином, виникає рівноважний дифузний шар протиіонів, пов'язаних з твердою фазою. Рівновага цього дифузного шару динамічне.
З іншого боку, що знаходяться в рідині іони того ж знака, що і адсорбовані стінкою потенциалопределяющих іони, відштовхуються електричними силами від твердої фази і йдуть углиб розчину. Це обумовлює розподіл потенциалопределяющих іонів і протиіонів в дифузійної частини подвійного електричного шару, що ілюструє мал.2.
Якщо концентрацію позитивних і негативних іонів у точці, потенціал якої дорівнює
Товщина дифузного шару розраховується за формулою:
Недолік теорії Гуи полягає в тому, що вона не пояснює явища перезарядки-зміни знаку електрокінетичного потенціалу при введенні в систему електроліту з багатовалентними іоном, заряд якого протилежний за знаком заряду дисперсної фази. Також теорія Гуи не пояснює різної дії різних за природою протиіонів однієї і тієї ж валентності на подвійний електричний шар. Нарешті, дана теорія відносно добре виконується для досить розбавлених колоїдних розчинів, виявляється неприйнятною для більш концентрованих.
Всі ці труднощі в значній мірі подолані в теорії будови подвійного електричного шару, запропонованої Штерном.
I.2.3.Теорія Штерна
У 1924 р. Штерн запропонував схему будови подвійного електричного шару. Розробляючи цю теорію, Штерн виходив з двох передумов. По-перше, він прийняв, що іони мають кінцеві, цілком певні розміри і, отже, центри іонів не можуть перебувати до поверхні твердої фази ближче, ніж на відстань іонного радіусу. По-друге, Штерн врахував специфічне, не електричне взаємодія іонів з поверхнею твердої фази. Ця взаємодія обумовлено наявністю на деякій малій відстані від поверхні поля молекулярних (адсорбційних) сил.
Подвійний електричний шар, згідно з поглядами Штерна, при цьому все більше наближається до шару, передбаченому в теорії Гельмгольца, а
II.Електрокінетіческій потенціал
Перебіг електрокінетичних явищ в дисперсних системах можливе за наявності на межі розділу фаз подвійного електричного шару, що має дифузне будову. При відносному зміщенні фаз відбувається розрив подвійного електричного шару по площині ковзання (рис. 4).
Наприклад, розрив подвійного шару може статися внаслідок седиментації або броунівського руху частинок дисперсної фази. Площина ковзання звичайно проходить по дифузному шару, і частина його іонів залишається в дисперсному середовищі. У результаті дисперсійне середовище і дисперсна фаза виявляються протилежно зарядженими. Потенціал, що виникає на площині ковзання при відриві частини дифузного шару, називається електрокінетичних потенціалом або
При таких оцінках зазвичай приймають, що
Електрокінетичний потенціал, безумовно, сильно залежить від природи поверхні контактуючих фаз. У цьому відношенні можна виділити два крайніх положення: активні та інертні поверхні. Активну поверхню мають поліелектроліти-полімери, що містять неіоногенні групи, ступінь дисоціації яких і визначає заряд поверхні. До речовин, що мають поверхні з йоногенних групами, можна віднести і багато неорганічних оксиди (оксиди кремнію, алюмінію, заліза та ін.) На таких поверхнях
Специфічна адсорбція може викликати і зменшення
Значний вплив на
Можна припускати, що при розведенні всякої колоїдної системи
Визначені за допомогою електрокінетичних явищ знак і значення
III.Електроосмос та електрофорез
При розгляді електрокінетичних явищ Гельмгольц виходив з наступних положень:
1) Електричні заряди поверхні рідини і твердої фази протилежні за знаком і розташовані паралельно один одному, в результаті чого утворюється подвійний електричний шар;
2) Товщина подвійного електричного шару має розміри близькі до молекулярних;
3) При електрокінетичних явищах шар рідини, безпосередньо прилягає до поверхні твердої фази залишається нерухомим, тоді як інша рідина, що знаходиться поблизу цієї поверхні, рухлива і до неї докладемо закон тертя, застосовуваний до нормальних рідин;
4) Перебіг рідини в подвійному електричному шарі при електрокінетичних явища відбувається ламінарно і виражається звичайними гідродинамічними рівняннями;
5) Подвійний електричний шар можна розглядати як плоскопараллельних конденсатор;
6) Розподіл зарядів у подвійному шарі не залежить від напруженості прикладеного електричного поля, і зовнішня різниця потенціалів просто накладається на полі подвійного електричного шару;
7) Тверда фаза є діелектриком, рідина ж проводить електричний струм.
III.1.Електроосмос
Направлене переміщення рідини в пористому тілі під дією прикладеної різниці потенціалів (електроосмос) зручно вивчати за допомогою приладу, схематично показаному на малюнку 5.
Прилад являє собою U-образну трубку, в одне коліно якої впаяний капіляр 1 для точного визначення кількості протікає рідини, в іншому-між електродами розташовується пористе тіло 2 (мембрана) з силикогель, глинозему та інших матеріалів.
У прилад наливають воду або водний розчин і відзначають рівень рідини в капілярі. Якщо до електродів прикласти різницю потенціалів, то протівоіони дифузного шару, енергетично слабко пов'язані з поверхнею твердої фази (мембрана), будуть переміщатися до відповідного електрода і завдяки молекулярному тертю захоплювати за собою дисперсійне середовище (водний розчин). Чим більше потенціал дифузного шару, тим більше переносників зарядів, тим вище швидкість переміщення рідини в пористому тілі. Швидкість течії рідини і її напрямок при постійній напруженості електричного поля визначаються властивостями мембрани і розчину. Таким чином якісне вивчення електроосмосу дозволяє однозначно визначити знак
ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ХІМІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Курсова робота з фізичної хімії:
«Електрокінетичні явища в дисперсних системах»
Виконала:
студентка 3-у групи
Христич Ірина
Науковий керівник:
Філіпенко Т.А.
Біла Н.І.
Донецьк-2007
Зміст
Введення
I. Подвійний електричний шар
I.1.Механізми освіти подвійного електричного шару
I.2. Будова подвійного електричного шару
I.2.1. Теорія Гельмгольца
I.2.2.Теорія Гуи
I.2.3.Теорія Штерна
II. Електрокінетичний потенціал
III. Електроосмос та електрофорез
III.1.Електроосмос
III.2.Електрофорез
IV. Потенціал течії і седиментації
V. Практичне використання електрокінетичних явищ
Висновок
Література
Введення
Електрокінетичні явища були відкриті професором Московського університету Ф. Ф. Рейсом в 1808р. при дослідженні електролізу води.
Явище переміщення рідини в пористих тілах під дією електричного поля отримало назву електроосмосу, а явище переміщення частинок-електрофорезу.
У 1859р. Квінке виявив явище, зворотне електроосмос, тобто при течії рідини через пористе тіло під дією перепаду тисків виникає різниця потенціалів. Виникнення різниці потенціалів Квінке спостерігав при течії води та водних розчинів через різноманітні пористі матеріали (глина, дерево, графіт та ін.) Це явище отримало назву потенціалу течії (або потенціалу протікання).
Кількісне дослідження ефекту, зворотного електрофорез, вперше було виконано Дорном в 1878г. Він вимірював виникає різниця потенціалів при седиментації частинок суспензії кварцу у відцентровому полі. Явище виникнення різниці потенціалів при осадженні дисперсної фази отримало назву потенціалу седиментації (або потенціалу осідання).
Таким чином, з причинно-наслідковим ознаками електрокінетичні явища в дисперсних системах ділять на дві групи. До першої групи відносять явища, при яких відносний рух фаз обумовлено електричної різницею потенціалів; це електроосмос і електрофорез. До другої групи електрокінетичних явищ належать потенціал течії і потенціал седиментації, при яких відносний рух фаз викликає виникнення електричної різниці потенціалів.
Найбільше практичне застосування отримали електрофорез і електроосмос.
I. Подвійний електричний шар
Причина електрокінетичних явищ в тому, що на поверхні є подвійний електричний шар, що має дифузне будова і це призводить до того, що фаза і середовище заряджені протилежно. Оскільки частки прагнуть зменшити поверхневу енергію, то всі вони прагнуть адсорбуватися на поверхні.
I.1.Механізми освіти подвійного електричного шару
Існують наступні механізми утворення подвійного електричного шару:
1) Іонізація поверхні. Метал втрачає електрони і заряджається позитивно.
2) Виборча адсорбція іонів. Поверхня адсорбує іон більш близький за природою.
3) Освіта подвійного електричного шару за рахунок адсорбції на поверхні полярних молекул. Правило Кена: позитивно заряджається та фаза, яка має велику діелектричну проникність.
I.2. Будова подвійного електричного шару
Подвійний електричний шар складається з іонів одного знака, щодо міцно пов'язаних з дисперсної твердою фазою (потенциалопределяющих іони), і еквівалентної кількості протилежно заряджених іонів, що знаходяться в рідкому середовищі поблизу міжфазної поверхні (протівоіони). Заряд на поверхні твердої фази в першому наближенні розглядається як поверхневий заряд, рівномірно розподілений по всій поверхні. Між протиіонами і вільними (не входять до складу подвійного електричного шару) іонами того ж знака, що знаходяться в рідині, існує динамічна рівновага. Дисперсійне середовище представляється завжди як безперервна фаза, вплив якої на подвійний електричний шар визначається лише її діелектричною проникністю.
При таких передумовах відмінність між теоріями будови подвійного електричного шару полягає тільки лише в різному тлумаченні структури шару протиіонів.
I.2.1. Теорія Гельмгольца
Відповідно до цієї теорії подвійний шар представляється як би плоским конденсатором, одна обкладка якого пов'язана безпосередньо з поверхнею твердого тіла (стінкою), а інша обкладка, несуча протилежний заряд, знаходиться в рідині на дуже малій відстані від першої. Потенціал в такому подвійному шарі повинен падати по прямій, а значення поверхневого заряду
-Абсолютна діелектрична проникність середовища;
-Різницю потенціалів між обкладками конденсатора;
-Відстань між обкладками
На рис.1 дана схема будови такого подвійного електричного шару, він також ілюструє падіння потенціалу з збільшенням відстані x від поверхні твердого тіла.
Наведена схема будови подвійного електричного шару не пояснює ряд особливостей електрокінетичних явищ.
Основним недоліком є те, що товщина подвійного шару дуже мала і має молекулярну розмір. Дана теорія не може пояснити електроосмос і електрофорез. На площині ковзання
повинен виникнути електрокінетичний потенціал (
повинен дорівнювати загальному стрибка потенціалу. Теорія виконується,
якщо температура системи дорівнює 0 К (відсутній тепловий рух).
I.2.2.Теорія Гуи
Відповідно до цієї теорії протівоіони не можуть бути зосереджені тільки у міжфазної поверхні і утворювати моноіонний шар, а розсіяні в рідкій фазі на деякій відстані від кордону розділу. Така структура подвійного шару визначається, з одного боку, електричним полем у твердої фази, прагнуть притягти еквівалентну кількість протилежно заряджених іонів можливо ближче до стінки, а з іншого боку, тепловим рухом іонів, внаслідок якого протівоіони прагнуть розсіятися в усьому обсязі рідкої фази.
У безпосередній близькості від міжфазної межі переважає дію електричного поля. З віддаленням від міжфазної межі сила цього поля поступово слабшає і виявляється все сильніше розсіювання протиіонів подвійного шару в результаті теплового руху, внаслідок чого концентрація протиіонів падає і стає рівною концентрації тих же іонів, що знаходяться в глибині рідкої фази. Таким чином, виникає рівноважний дифузний шар протиіонів, пов'язаних з твердою фазою. Рівновага цього дифузного шару динамічне.
З іншого боку, що знаходяться в рідині іони того ж знака, що і адсорбовані стінкою потенциалопределяющих іони, відштовхуються електричними силами від твердої фази і йдуть углиб розчину. Це обумовлює розподіл потенциалопределяющих іонів і протиіонів в дифузійної частини подвійного електричного шару, що ілюструє мал.2.
Якщо концентрацію позитивних і негативних іонів у точці, потенціал якої дорівнює
Товщина дифузного шару розраховується за формулою:
Недолік теорії Гуи полягає в тому, що вона не пояснює явища перезарядки-зміни знаку електрокінетичного потенціалу при введенні в систему електроліту з багатовалентними іоном, заряд якого протилежний за знаком заряду дисперсної фази. Також теорія Гуи не пояснює різної дії різних за природою протиіонів однієї і тієї ж валентності на подвійний електричний шар. Нарешті, дана теорія відносно добре виконується для досить розбавлених колоїдних розчинів, виявляється неприйнятною для більш концентрованих.
Всі ці труднощі в значній мірі подолані в теорії будови подвійного електричного шару, запропонованої Штерном.
I.2.3.Теорія Штерна
У 1924 р. Штерн запропонував схему будови подвійного електричного шару. Розробляючи цю теорію, Штерн виходив з двох передумов. По-перше, він прийняв, що іони мають кінцеві, цілком певні розміри і, отже, центри іонів не можуть перебувати до поверхні твердої фази ближче, ніж на відстань іонного радіусу. По-друге, Штерн врахував специфічне, не електричне взаємодія іонів з поверхнею твердої фази. Ця взаємодія обумовлено наявністю на деякій малій відстані від поверхні поля молекулярних (адсорбційних) сил.
Подвійний електричний шар, згідно з поглядами Штерна, при цьому все більше наближається до шару, передбаченому в теорії Гельмгольца, а
II.Електрокінетіческій потенціал
Перебіг електрокінетичних явищ в дисперсних системах можливе за наявності на межі розділу фаз подвійного електричного шару, що має дифузне будову. При відносному зміщенні фаз відбувається розрив подвійного електричного шару по площині ковзання (рис. 4).
При таких оцінках зазвичай приймають, що
Електрокінетичний потенціал, безумовно, сильно залежить від природи поверхні контактуючих фаз. У цьому відношенні можна виділити два крайніх положення: активні та інертні поверхні. Активну поверхню мають поліелектроліти-полімери, що містять неіоногенні групи, ступінь дисоціації яких і визначає заряд поверхні. До речовин, що мають поверхні з йоногенних групами, можна віднести і багато неорганічних оксиди (оксиди кремнію, алюмінію, заліза та ін.) На таких поверхнях
Специфічна адсорбція може викликати і зменшення
Значний вплив на
Можна припускати, що при розведенні всякої колоїдної системи
Визначені за допомогою електрокінетичних явищ знак і значення
III.Електроосмос та електрофорез
При розгляді електрокінетичних явищ Гельмгольц виходив з наступних положень:
1) Електричні заряди поверхні рідини і твердої фази протилежні за знаком і розташовані паралельно один одному, в результаті чого утворюється подвійний електричний шар;
2) Товщина подвійного електричного шару має розміри близькі до молекулярних;
3) При електрокінетичних явищах шар рідини, безпосередньо прилягає до поверхні твердої фази залишається нерухомим, тоді як інша рідина, що знаходиться поблизу цієї поверхні, рухлива і до неї докладемо закон тертя, застосовуваний до нормальних рідин;
4) Перебіг рідини в подвійному електричному шарі при електрокінетичних явища відбувається ламінарно і виражається звичайними гідродинамічними рівняннями;
5) Подвійний електричний шар можна розглядати як плоскопараллельних конденсатор;
6) Розподіл зарядів у подвійному шарі не залежить від напруженості прикладеного електричного поля, і зовнішня різниця потенціалів просто накладається на полі подвійного електричного шару;
7) Тверда фаза є діелектриком, рідина ж проводить електричний струм.
III.1.Електроосмос
Направлене переміщення рідини в пористому тілі під дією прикладеної різниці потенціалів (електроосмос) зручно вивчати за допомогою приладу, схематично показаному на малюнку 5.
Прилад являє собою U-образну трубку, в одне коліно якої впаяний капіляр 1 для точного визначення кількості протікає рідини, в іншому-між електродами розташовується пористе тіло 2 (мембрана) з силикогель, глинозему та інших матеріалів.
У прилад наливають воду або водний розчин і відзначають рівень рідини в капілярі. Якщо до електродів прикласти різницю потенціалів, то протівоіони дифузного шару, енергетично слабко пов'язані з поверхнею твердої фази (мембрана), будуть переміщатися до відповідного електрода і завдяки молекулярному тертю захоплювати за собою дисперсійне середовище (водний розчин). Чим більше потенціал дифузного шару, тим більше переносників зарядів, тим вище швидкість переміщення рідини в пористому тілі. Швидкість течії рідини і її напрямок при постійній напруженості електричного поля визначаються властивостями мембрани і розчину. Таким чином якісне вивчення електроосмосу дозволяє однозначно визначити знак
Рис.6 ілюструє зміну потенціалу
У стаціонарному стані загальна сила, що діє на будь-який як завгодно малий шар рідини, дорівнює нулю, і він рухається з постійною швидкістю паралельно кордоні ковзання.
Електрична сила, діюча на шар рідини dx (у розрахунку на одиницю площі поверхні), дорівнює:
де dp заряд шару рідини dx;
p-об'ємна щільність заряду, виражена у відповідності з рівнянням Пуассона;
Сила тертя і її диференціал, що припадає на одиницю площі (відповідно до закону Ньютона), складають:
При усталеному русі (у стаціонарному стані) dFел .= dFтр., Тобто прирівнюємо (III.1) і (III.2), отримаємо:
Вирішення даного рівняння зводиться до визначення граничних умов інтегрування, які легко визначити з рисунка 7. При х = l, тобто на кордоні ковзання, має
Остаточно отримаємо такий вираз для постійної лінійної швидкості рідини відносно мембрани:
Це класичне вираз для швидкості руху рідини при електроосмос можна отримати і на основі уявлень подвійного електричного шару як плоского конденсатора, що й було зроблено ще Гельмгольцем. Більш суворий висновок співвідношення (III.4) був даний Смолуховським, тому рівняння (III.4) носить назву рівняння Гельмгольца-Смолуховського.
Швидкість руху дисперсного середовища, віднесена до одиниці напруженості електричного поля, називається електроосмотичного рухливістю:
Рівняння Гельмгольца-Смолуховського частіше записують щодо
У рівняння (III.5) і (III.6) входить електроосмотичного лінійна швидкість, яку при обробці експериментальних даних зручніше замінити на об'ємну швидкість течії рідини. Використовуючи закон Ома, отримаємо:
де U-зовнішня різниця потенціалів;
I-сила струму;
Остаточне вираз буде мати вигляд:
Аналіз даного співвідношення показує, що воно справедливо як для одиничного циліндричного капіляра, так і для системи капілярів різної форми, оскільки в це рівняння не входять їх геометричні параметри.
Уточнимо значення електропровідності. Явище електроосмосу спостерігають у вузьких капілярах.
При підключенні електричного струму спостерігається рух рідини,
S-перетин капіляра.
III.2.Електрофорез
Направлене переміщення частинок дисперсної фази під дією прикладеної різниці потенціалів (електрофорез) можна спостерігати в седиментаційно стійких дисперсних системах. При накладанні на таку систему зовнішньої різниці потенціалів відбувається розрив подвійного електричного шару по площині ковзання, в результаті чого частка отримує певний заряд і переміщається до відповідного електрода.
При електрофорезі можна безпосередньо вимірювати швидкість руху частинок. Електрофорез зручно спостерігати за допомогою приладу, зображеного на рисунку 8. Прилад являє собою U-образну трубку, в коліно якої вставлені електроди.
Трубку заповнюють до рівня а-а досліджуваним золем, на поверхню якого наливають контактну рідину, що має однакову з золем електропровідність, і на електроди подають напругу. Через певні проміжки часу відзначають рівень золю в обох колінах трубки. Природно, що швидкість переміщення частинок дисперсної фази визначається значенням
Отримане раніше диференціальне рівняння (III.3) справедливо для електрофорезу, тому що воно було виведено з балансу рушійних сил процесу. Відношення швидкості руху дисперсної фази до напруженості електричного поля при електрофорезі називають електрофоретичною рухливістю:
При виведенні співвідношень (III.10) і (III.11) приймаються наступні обмеження:
1) частки рухаються в однорідному електричному полі;
2) частки можуть мати будь-яку форму і вони не проводять електричний струм;
3) товщина подвійного електричного шару повинна бути значно менше розміру частинок.
Експериментально визначені значення рухливості виявляються менше розрахункових. Розбіжність експериментальних і теоретичних значень електрофоретичної рухливості визначається двома ефектами: релаксаційним ефектом і електрофоретичних гальмуванням.
Релаксаційний ефект проявляється в порушенні симетрії дифузного шару навколо частки при відносному русі фаз в протилежні сторони. Виникає внутрішнє електричне поле (диполь), спрямоване проти зовнішнього поля (рис. 9)
Для відновлення рівноважного стану системи потрібно якийсь час-час релаксації. Воно досить велике, і система не встигає прийти в рівновагу, у зв'язку з чим ефективна напруженість електричного поля Е зменшується, а отже, визначається експериментально значення
Електрофоретичне гальмування обумовлено опором руху частинки, зворотної потоком протиіонів, який захоплює за собою рідину. Внаслідок цього електрофоретична швидкість зменшується. Гюккель, грунтуючись на теорії сильних електролітів, встановив, що в рівняння (III.10) необхідно ввести множник 2 / 3 як поправку на Електрофоретичне гальмування. Надалі було показано, що Електрофоретичне гальмування є функцією розміру частки і товщини дифузного шару. Поправка Гюккеля необхідна, якщо товщина дифузного шару значно перевищує розмір частки, за умови сумірності цих параметрів її значення може знаходиться в межах від 2 / 3 до 1.
IV. Потенціал течії і седиментації
Явище, протилежне електроосмос-потенціал течії полягає в тому, що при течії дисперсійного середовища під дією перепаду тиску через пористу мембрану на її кінцях з'являється різниця потенціалів. Продавлюється через капіляр рідину в умовах ламінарного руху характеризується зображеним на малюнку 6 профілем розподілу швидкостей. Рушійна рідина, тягнучи за собою іони дифузного шару, виявляється носієм конвекційного поверхневого електричного струму, званого струмом течії. При перенесенні зарядів по капіляру на його кінцях виникає різниця потенціалів, яка в свою чергу викликає зустрічний об'ємний потік іонів протилежного знаку по всьому капіляру. Після встановлення рівноважного стану потоки іонів стануть рівними, а різниця потенціалів візьме постійне значення, рівне потенціалу течії U. Потенціал течії пропорційний перепаду тиску
Рівняння Гельмгольца-Смолуховського для розрахунку
При потенціалі седиментації (ефект Донра) як явище, зворотному електрофорез, частки твердої фази, що несуть заряд, осідають під дією сили тяжіння або сили відцентрового поля. У процесі осадження іони дифузного шару внаслідок молекулярного тертя відстають від рухомої частинки, тобто виникає потік заряджених частинок. Якщо в посудині з облягають в рідині частинками твердої фази встановити електроди на різній висоті, то між ними можна виміряти різницю потенціалів-потенціал седиментації. Цей потенціал пропорційний
Часткова концентрація дисперсної системи визначається за рівнянням:
де С-масова концентрація дисперсної фази.
V. Практичне використання електрокінетичних явищ
Електрокінетичні явища мають велике практичне значення. Використовуючи їх, можна визначити дуже важливу характеристику дисперсних систем -
Електрокінетичні явища широко використовуються в техніці, а також у наукових дослідженнях-нанесення покриттів на різні поверхні електрофоретичних методом. Даний метод, що забезпечує високу покривну здатність дозволяє отримати рівномірне покриття на деталях складної конфігурації. При електрофоретичному методі нанесення покриттів як правило одним з електродом служить деталь, на якій формується покриття, другим-ємність з суспензією, дисперсна фаза якої наноситься на поверхню деталі. У залежності від того, яким електродом (анодом або катодом) є покривається деталь, розрізняють анодофорез і катодофорез.
Електрофоретичний метод широко застосовується також для покриття катодів радіоламп, напівпровідникових деталей, нагрівачів і т.д. Електрофорез використовується в медицині, в біології при виявленні біохімічної і фізіологічної ролі різних високомолекулярних сполук. Цей метод використовується також для фракціонування полімерів та мінеральних дисперсій.
Явище електроосмосу лежить в основі способу видалення вологи при осушенні об'єктів (стін будівель, сипучих матеріалів і т.д.) і способу просочення матеріалів різними речовинами. Все більше значення набуває електроосмотичного фільтрація, що поєднує в собі два процеси: фільтрацію під дією прикладеного тиску і електроосмотичного перенесення рідини в електричному полі. Застосування електроосмосу обмежена великим споживанням електроенергії.
Явище потенціалу течії і седиментації спостерігається у виробництвах, в яких здійснюється транспортування рідин (перекачування технологічних розчинів, рідкого палива), осадження суспензій і емульсій при поділі фаз. На кінцях трубопроводів і апаратів можуть виникати високі різниці потенціалів, які є причиною іскрових розрядів, що викликають пожежі і вибухи.
Висновок
Причиною виникнення електрокінетичного потенціалу є наявність на частинках дисперсної системи подвійних електричних шарів, що мають дифузне будову.
Існує багато теорій будови подвійного електричного шару, але найбільш вірогідною є теорія Штерна, яка враховує вплив радіуса іона на товщину шару, а також специфічну взаємодію іонів з поверхнею твердої фази.
До електрокінетичних явищ належать: електроосмос, електрофорез, потенціал течії і потенціал седиментації. В основі їх визначення лежить рівняння Гельмгольца-Смолуховського, за допомогою якого можна визначити електрокінетичний потенціал даного процесу.
Електрокінетичні явища знайшли широке застосування в науці і техніці, в біології та медицині.
Література
1) Воюцький С.С. Курс колоїдної хімії. М.: «Хімія», 1976р.;
2) Ребіндер П.А. Загальний курс колоїдної хімії. М.: «Вища школа», 1960р.;
3) Кройт Г.Р. Наука про колоїдах. М.: «Вища школа», 1974р.;
4) Фрідріхсберг Д.А. Курс колоїдної хімії. Л.: «Хімія», 1980р.;
5) Шелудко А.А. Колоїдна хімія. М.: «Вища школа», 1978р.;
6) Берестенева З.Я. Електричні властивості колоїдних систем. Л.: «Хімія», 1970р.;
7) Григоров О.М. Електрокінетичні явища. М.: «Наука», 1973р.
У стаціонарному стані загальна сила, що діє на будь-який як завгодно малий шар рідини, дорівнює нулю, і він рухається з постійною швидкістю паралельно кордоні ковзання.
Електрична сила, діюча на шар рідини dx (у розрахунку на одиницю площі поверхні), дорівнює:
де dp заряд шару рідини dx;
p-об'ємна щільність заряду, виражена у відповідності з рівнянням Пуассона;
Сила тертя і її диференціал, що припадає на одиницю площі (відповідно до закону Ньютона), складають:
При усталеному русі (у стаціонарному стані) dFел .= dFтр., Тобто прирівнюємо (III.1) і (III.2), отримаємо:
Вирішення даного рівняння зводиться до визначення граничних умов інтегрування, які легко визначити з рисунка 7. При х = l, тобто на кордоні ковзання, має
Остаточно отримаємо такий вираз для постійної лінійної швидкості рідини відносно мембрани:
Це класичне вираз для швидкості руху рідини при електроосмос можна отримати і на основі уявлень подвійного електричного шару як плоского конденсатора, що й було зроблено ще Гельмгольцем. Більш суворий висновок співвідношення (III.4) був даний Смолуховським, тому рівняння (III.4) носить назву рівняння Гельмгольца-Смолуховського.
Швидкість руху дисперсного середовища, віднесена до одиниці напруженості електричного поля, називається електроосмотичного рухливістю:
Рівняння Гельмгольца-Смолуховського частіше записують щодо
У рівняння (III.5) і (III.6) входить електроосмотичного лінійна швидкість, яку при обробці експериментальних даних зручніше замінити на об'ємну швидкість течії рідини. Використовуючи закон Ома, отримаємо:
де U-зовнішня різниця потенціалів;
I-сила струму;
Остаточне вираз буде мати вигляд:
Аналіз даного співвідношення показує, що воно справедливо як для одиничного циліндричного капіляра, так і для системи капілярів різної форми, оскільки в це рівняння не входять їх геометричні параметри.
Уточнимо значення електропровідності. Явище електроосмосу спостерігають у вузьких капілярах.
При підключенні електричного струму спостерігається рух рідини,
S-перетин капіляра.
III.2.Електрофорез
Направлене переміщення частинок дисперсної фази під дією прикладеної різниці потенціалів (електрофорез) можна спостерігати в седиментаційно стійких дисперсних системах. При накладанні на таку систему зовнішньої різниці потенціалів відбувається розрив подвійного електричного шару по площині ковзання, в результаті чого частка отримує певний заряд і переміщається до відповідного електрода.
При електрофорезі можна безпосередньо вимірювати швидкість руху частинок. Електрофорез зручно спостерігати за допомогою приладу, зображеного на рисунку 8. Прилад являє собою U-образну трубку, в коліно якої вставлені електроди.
Трубку заповнюють до рівня а-а досліджуваним золем, на поверхню якого наливають контактну рідину, що має однакову з золем електропровідність, і на електроди подають напругу. Через певні проміжки часу відзначають рівень золю в обох колінах трубки. Природно, що швидкість переміщення частинок дисперсної фази визначається значенням
Отримане раніше диференціальне рівняння (III.3) справедливо для електрофорезу, тому що воно було виведено з балансу рушійних сил процесу. Відношення швидкості руху дисперсної фази до напруженості електричного поля при електрофорезі називають електрофоретичною рухливістю:
При виведенні співвідношень (III.10) і (III.11) приймаються наступні обмеження:
1) частки рухаються в однорідному електричному полі;
2) частки можуть мати будь-яку форму і вони не проводять електричний струм;
3) товщина подвійного електричного шару повинна бути значно менше розміру частинок.
Експериментально визначені значення рухливості виявляються менше розрахункових. Розбіжність експериментальних і теоретичних значень електрофоретичної рухливості визначається двома ефектами: релаксаційним ефектом і електрофоретичних гальмуванням.
Релаксаційний ефект проявляється в порушенні симетрії дифузного шару навколо частки при відносному русі фаз в протилежні сторони. Виникає внутрішнє електричне поле (диполь), спрямоване проти зовнішнього поля (рис. 9)
Для відновлення рівноважного стану системи потрібно якийсь час-час релаксації. Воно досить велике, і система не встигає прийти в рівновагу, у зв'язку з чим ефективна напруженість електричного поля Е зменшується, а отже, визначається експериментально значення
Електрофоретичне гальмування обумовлено опором руху частинки, зворотної потоком протиіонів, який захоплює за собою рідину. Внаслідок цього електрофоретична швидкість зменшується. Гюккель, грунтуючись на теорії сильних електролітів, встановив, що в рівняння (III.10) необхідно ввести множник 2 / 3 як поправку на Електрофоретичне гальмування. Надалі було показано, що Електрофоретичне гальмування є функцією розміру частки і товщини дифузного шару. Поправка Гюккеля необхідна, якщо товщина дифузного шару значно перевищує розмір частки, за умови сумірності цих параметрів її значення може знаходиться в межах від 2 / 3 до 1.
IV. Потенціал течії і седиментації
Явище, протилежне електроосмос-потенціал течії полягає в тому, що при течії дисперсійного середовища під дією перепаду тиску через пористу мембрану на її кінцях з'являється різниця потенціалів. Продавлюється через капіляр рідину в умовах ламінарного руху характеризується зображеним на малюнку 6 профілем розподілу швидкостей. Рушійна рідина, тягнучи за собою іони дифузного шару, виявляється носієм конвекційного поверхневого електричного струму, званого струмом течії. При перенесенні зарядів по капіляру на його кінцях виникає різниця потенціалів, яка в свою чергу викликає зустрічний об'ємний потік іонів протилежного знаку по всьому капіляру. Після встановлення рівноважного стану потоки іонів стануть рівними, а різниця потенціалів візьме постійне значення, рівне потенціалу течії U. Потенціал течії пропорційний перепаду тиску
Рівняння Гельмгольца-Смолуховського для розрахунку
При потенціалі седиментації (ефект Донра) як явище, зворотному електрофорез, частки твердої фази, що несуть заряд, осідають під дією сили тяжіння або сили відцентрового поля. У процесі осадження іони дифузного шару внаслідок молекулярного тертя відстають від рухомої частинки, тобто виникає потік заряджених частинок. Якщо в посудині з облягають в рідині частинками твердої фази встановити електроди на різній висоті, то між ними можна виміряти різницю потенціалів-потенціал седиментації. Цей потенціал пропорційний
Часткова концентрація дисперсної системи визначається за рівнянням:
де С-масова концентрація дисперсної фази.
V. Практичне використання електрокінетичних явищ
Електрокінетичні явища мають велике практичне значення. Використовуючи їх, можна визначити дуже важливу характеристику дисперсних систем -
Електрокінетичні явища широко використовуються в техніці, а також у наукових дослідженнях-нанесення покриттів на різні поверхні електрофоретичних методом. Даний метод, що забезпечує високу покривну здатність дозволяє отримати рівномірне покриття на деталях складної конфігурації. При електрофоретичному методі нанесення покриттів як правило одним з електродом служить деталь, на якій формується покриття, другим-ємність з суспензією, дисперсна фаза якої наноситься на поверхню деталі. У залежності від того, яким електродом (анодом або катодом) є покривається деталь, розрізняють анодофорез і катодофорез.
Електрофоретичний метод широко застосовується також для покриття катодів радіоламп, напівпровідникових деталей, нагрівачів і т.д. Електрофорез використовується в медицині, в біології при виявленні біохімічної і фізіологічної ролі різних високомолекулярних сполук. Цей метод використовується також для фракціонування полімерів та мінеральних дисперсій.
Явище електроосмосу лежить в основі способу видалення вологи при осушенні об'єктів (стін будівель, сипучих матеріалів і т.д.) і способу просочення матеріалів різними речовинами. Все більше значення набуває електроосмотичного фільтрація, що поєднує в собі два процеси: фільтрацію під дією прикладеного тиску і електроосмотичного перенесення рідини в електричному полі. Застосування електроосмосу обмежена великим споживанням електроенергії.
Явище потенціалу течії і седиментації спостерігається у виробництвах, в яких здійснюється транспортування рідин (перекачування технологічних розчинів, рідкого палива), осадження суспензій і емульсій при поділі фаз. На кінцях трубопроводів і апаратів можуть виникати високі різниці потенціалів, які є причиною іскрових розрядів, що викликають пожежі і вибухи.
Висновок
Причиною виникнення електрокінетичного потенціалу є наявність на частинках дисперсної системи подвійних електричних шарів, що мають дифузне будову.
Існує багато теорій будови подвійного електричного шару, але найбільш вірогідною є теорія Штерна, яка враховує вплив радіуса іона на товщину шару, а також специфічну взаємодію іонів з поверхнею твердої фази.
До електрокінетичних явищ належать: електроосмос, електрофорез, потенціал течії і потенціал седиментації. В основі їх визначення лежить рівняння Гельмгольца-Смолуховського, за допомогою якого можна визначити електрокінетичний потенціал даного процесу.
Електрокінетичні явища знайшли широке застосування в науці і техніці, в біології та медицині.
Література
1) Воюцький С.С. Курс колоїдної хімії. М.: «Хімія», 1976р.;
2) Ребіндер П.А. Загальний курс колоїдної хімії. М.: «Вища школа», 1960р.;
3) Кройт Г.Р. Наука про колоїдах. М.: «Вища школа», 1974р.;
4) Фрідріхсберг Д.А. Курс колоїдної хімії. Л.: «Хімія», 1980р.;
5) Шелудко А.А. Колоїдна хімія. М.: «Вища школа», 1978р.;
6) Берестенева З.Я. Електричні властивості колоїдних систем. Л.: «Хімія», 1970р.;
7) Григоров О.М. Електрокінетичні явища. М.: «Наука», 1973р.