Ответы к задачам

Различают следующие электрокинетические явления:

Электрофорез – перемещение частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля к одному из электродов.

Электроосмос – перемещение дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы (капиллярно-пористых материалов, диафрагм) под действием внешнего электрического поля в сторону одного из электродов.

Возникновение потенциала протекания – разность потенциалов при протекании дисперсионной среды через поры твердого тела под влиянием приложенного давления.

Потенциал оседания – разность потенциалов при седиментации частиц дисперсной фазы в гравитационном поле.

Скорость этих процессов определяется электрокинетическим потенциалом, или дзета-потенциалом (z-потенциал). Этот потенциал возникает на границе скольжения двух слоев дисперсионной среды: адсорбционного и диффузного (рис.2.2).

Рис.2.2. Строение двойного электрического слоя частицы

На границе раздела фаз (линия АВ) располагаются адсорбированные частицей потенциалопределяющие ионы. На рис.2.2 они заряжены положительно. На расстоянии, равном среднему ионному радиусу, расположен первый слой противоионов, в данном случае они имеют отрицательный заряд. Эти ионы входят в состав адсорбционного слоя частицы толщиной d, который связан с частицей и перемещается вместе с ней. Линия CD является границей скольжения, отделяющей адсорбционный слой частицы от диффузного, в котором в растворе диффузно распределен остаток общего заряда j, падающего асимптотически до нуля по мере удаления в глубину раствора. Толщина диффузного слоя раствора зависит от концентрации в нем электролитов и может меняться в широких пределах. Как следует из рис.2.2, дзета-потенциал, обнаруживаемый на границе движения слоев в электрическом поле, меньше общего термодинамического потенциала j и также зависит от толщины диффузного слоя.

Для определения дзета-потенциала измеряют скорость взаимного перемещения фаз при протекании электрокинетических явлений, таких как электрофорез или электроосмос.

Линейная скорость взаимного перемещения фаз в СИ вычисляется по формуле

u, (2.23)

где D – диэлектрическая проницаемость; e₀ – электрическая константа, равная 8,85 × 10^-12 Ф/м; h - вязкость среды; E/b - напряженность электрического поля, или градиент потенциала, включает разность потенциалов электродов Е и расстояние между ними b.

Если скорость измерена в сантиметрах в секунду, вязкость - в пуазах и напряженность поля – в вольтах на сантиметр, то расчетное уравнение имеет вид

u , (2.24)

где k – коэффициент, зависящий от формы частицы или капилляра, по которому движется жидкость (для сферических частиц и капилляров цилиндрической формы k = 4).

Отсюда электрокинетический потенциал в вольтах

z = . (2.25)

При исследовании электроосмоса вместо напряженности электрического поля удобнее измерять силу тока I и удельную электропроводность жидкости l₀ и объемную скорость u. В этом случае уравнение принимает вид

z = . (2.26)

В СИ . Для определения дзета-потенциала можно воспользоваться также измерением потенциала протекания Е_Т. Последний зависит от давления, под действием которого жидкость продавливается через пористую мембрану, находящуюся между двумя одинаковыми электродами, и не зависит от толщины слоя и количества протекающей жидкости. По уравнению Гельмгольца - Смолуховского для капилляров цилиндрической формы , откуда электрокинетический потенциал

, (2.27)

где p – давление, под которым проталкивается жидкость, мм рт.ст.

В СИ это уравнение имеет вид

. (2.27а)

Измерения электроосмоса и потенциала протекания позволяют правильно определить дзета-потенциал только при сравнительно крупных порах (радиусом более 10^-5 см). При более мелких порах необходимо учитывать поверхностную проводимость.

Электрические свойства коллоидно-дисперсных систем позволили определить многие их свойства, такие, например, как агрегативную устойчивость и строение частиц дисперсной фазы.