Двойного электрического слоя - раздел Электротехника, ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ: ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ. Поверхностные явления. Адсорбция. Электрические свойства дисперсных систем. Электрокинетические явления. Устойчивость и нарушение устойчивости лиофобных золей Существует Несколько Теорий Строения Дэс, Наиболее Значительные Из Них
...
Существует несколько теорий строения ДЭС, наиболее значительные из них
– теория Гельмгольца-Перрена (1879 г.);
– теория Гуи-Чепмена (1910-1913 г.г.);
– терия Штерна (1924 г.)
Отличие между этими теориями сводится в основном, к различному толкованию структуры слоя противоионов.
Современные представления о строении ДЭС базируются на теории Штерна, объединяющей первые две теории.
1. ДЭС образован потенциалопределяющими ионами, находящимися на поверхности дисперсной фазы, и эквивалентным количеством противоионов, находящихся в дисперсионной среде вблизи поверхности раздела фаз;
2. Потенциалопределяющие ионы прочно связаны с частицей дисперсной фазы хемосорбционными силами и равномерно распределены по ее поверхности, вызывая появление электрического потенциала j0.
3. ДЭС рассматривается как плоскопараллельный. Это допущение приемлемо, т.к. толщина ДЭС намного меньше радиуса кривизны поверхности частицы дисперсной фазы (поэтому нам кажется плоской земля, радиус которой около 6000 км, что значительно больше расстояния, на которое видит человеческий глаз).
4. Слой противоионов состоит из двух частей: плотного адсорбционного слоя (слоя Гельмгольца) и диффузного слоя (слоя Гуи-Чепмена).
Адсорбционный слой противоионов примыкает к заряженной поверхности частицы дисперсной фазы и имеет толщину порядка диаметра гидратированного противоиона – d0
Противоионы адсорбционного слоя связаны с заряженной частицей двумя видами сил – адсорбционными и электростатическими. Эта связь является настолько прочной, что противоионы адсорбционного слоя перемещаются вместе с частицей, образуя с ней единое кинетическое целое – коллоидную частицу. В адсорбционном слое падение потенциала происходит линейно (рис. 27).
За адсорбционным слоем следует диффузный. Противоионы диффузного слоя притягиваются к частице только электростатическими силами (которые с увеличением расстояния уменьшаются). Поэтому эти противоионы менее прочно связаны с частицей по сравнению с противоионами адсорбционного слоя, и при движении частицы отрываются от нее.
На противоионы диффузного слоя большое влияние оказывает тепловое (броуновское) движение. Причем его действие тем сильнее, чем дальше от заряженной поверхности находятся противоионы. В результате теплового движения и взаимного отталкивания противоионы диффузного слоя способны перемещаться в пределах слоя. Падение потенциала в диффузном слое происходит по криволинейной зависимости до 0 (рис. 27).
Толщина диффузного слоя, в отличие от адсорбционного, подвержена влиянию различных факторов: температуры, рН, добавок электролитов, свойств дисперсионной среды.
По Чепмену толщина диффузного слоя ДЭС l равна
,
где К – константа; e – диэлектрическая проницаемость среды; Т – температура;
Таким образом, в ДЭС происходит полная компенсация поверхностного заряда j0 суммарным зарядом противоионов. Потенциал на границе ДЭС равен 0.
Электрически нейтральную коллоидную частицу называют мицеллой.
Взаимное перемещение дисперсной фазы и дисперсионной среды относительно друг друга происходит по плоскости скольжения (смещения) А-А, проходящей вблизи границы адсорбционного и диффузионного слоев противоионов. Поэтому противоионы, находящиеся в адсорбционном слое неподвижны относительно частиц дисперсной фазы и перемещаются вместе с ними.
Потенциал, возникающий на плоскости скольжения, определяет скорость перемещения фаз при наложении электрического поля, т.е. является причиной электрокинетических явлений (электрофорез, электроосмос, потенциалы протекания и оседания). Этот потенциал получил название электрокинетического, или z-потенциала.
| | | | |
| |  |
| | | | Рис. 27. Строение двойного электрического слоя: j – электрический потенциал, h – расстояние от границы раздела (h = 0) дисперсной и дисперсионной фаз;d – толщина ДЭС; d0 – толщина адсорбционной части ДЭС; z – электрокинетический потенциал; А–А – плоскость скольжения
| |
| |
Все темы данного раздела:
Сплошной среды и дисперсной фазы
Все дисперсные системы образуют две большие группы – лиофильные и лиофобные.
Лио – жидкость, филио – любить, фобио – отторгать.
1) лиофильные (гидрофильные) системы характе
Поверхностно-активные вещества
Вещества, которые при растворении снижают поверхностное натяжение растворителя, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Вещества, не изменяющие поверхностное натяжение растворите
Фундаментальное адсорбционное уравнение Гиббса
Уравнение Гиббса связывает величину адсорбции со способностью растворенного вещества изменять поверхностное натяжение. Выводится из объединенного уравнения I и II законов термодинамики для внутренн
Уравнение мономолекулярной адсорбции Ленгмюра
Экспериментально были получены изотермы адсорбции различных ПАВ. Все они имели одинаковую форму – имелся горизонтальный участок (рис. 11). Для веществ одного гомологического ряда все изотермы в пре
Особенности адсорбции на твердом адсорбенте
Адсорбция происходит на межфазной поверхности газ-твердое тело, жидкость-твердое тело.
В отличие от жидкой твердая поверхность энер
Требования, предъявляемые к адсорбентам
В качестве адсорбентов наиболее часто применяют углеродные сорбенты (древесный или костный уголь, графитированная термическая сажа ГТС), бентонитовые глины, силикагель, цеолиты и др.
Уг
Основные теории адсорбции на твердых адсорбентах
Все теории разработаны для адсорбции газов и паров твердыми телами, поскольку система твердое тело-газ состоит всего из двух компонентов и поэтому удобна для теоретического рассмотрения явления адс
Уравнение Фрейндлиха
На практике часто для аналитического описания зависимости адсорбции на твердом адсорбенте от концентрации адсорбтива применяется эмпирическое уравнение Фрейндлиха:
Капиллярная конденсация
При давлении, равном давлению насыщенного пара рs, начинается капиллярная конденсация.
Процесс сорбции пар
Ионная адсорбция из растворов
Ионная адсорбция — адсорбция из растворов сильных электролитов. В этом случае растворенное вещество адсорбируется в виде ионов.
Ионная адсорбция является более сложным процессом по сравнен
Ионообменная адсорбция
Ионообменная адсорбция — это процесс, при котором твердый адсорбент обменивает свои ионы на ионы того же знака из жидкого раствора.
Твердый адсорбент, практически нерастворим
Адгезия и смачивание
Адгезия (прилипание, сцепление, слипание) – поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии частиц поверхностных слоев двух конденсированных фаз.
Возможны три случая адгезии:
Строение мицеллы гидрофобного золя
Дисперсная фаза и прилегающий двойной электрический слой составляют мицеллу гидрофобного золя(micella – уменьшительное от лат. mica – крошка, крупица).
Основу мицеллы составляет
Влияние электролитов
По характеру воздействия на потенциал ядра (j0-потенциал) электролиты подразделяют на индифферентные и неиндифферентные.
Индифферентные (безразличные) электролиты не имею
Влияние индифферентных электролитов.
При добавлении к золю индифферентных электролитов потенциал ядра j0 не изменяется, следовательно, общее число противоионов, необходимых для его компенсации, останется прежним, но изменит
Влияние неиндифферентных электролитов.
При введении в золь неиндифферентных электролитов возможны два случая.
1 случай – в золь вводится электролит, содержащий потенциалопределяющий ион (неиндифферентный ион). Второй ион в элек
Электрофорез
Электрофорез – направленное движение частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля.
При наложении внешнего электрического поля п
Применение электрофореза.
1. Метод электрофореза широко используется для определения z-потенциала. Для этого измеряют электрофоретическую скорость при известной напряженности электрического поля.
Потенциал седиментации
Потенциал седиментации – возникновение разности потенциалов при движении (седиментации) частиц в неподвижной жидкости.
Рассмотрим коллоидную систему, находящуюся в емкости (например
Электроосмос
Электроосмос – движение дисперсионной среды через неподвижную капиллярно-пористую перегородку под действием внешнего электрического п
Потенциал течения
Потенциал течения (протекания) – это явление возникновения разности потенциалов при перемещении дисперсионной среды через капиллярно-
Лиофобных золей
Дисперсные системы характеризуются значительным избытком свободной нескомпенсированной поверхностной энергии
Gпов = sS,
связанным как с большой удельной п
Седиментационная устойчивость
Седиментационная устойчивость – это способность системы противодействовать оседанию частиц (силе тяжести).
Противодействие силе тяжести зависит от размеров частиц. Для крупных (сред
Теория устойчивости гидрофобных золей ДЛФО
Современная теория устойчивости развита российскими учеными Дерягиным и Ландау и голландскими учеными Фервеем и Овербеком и известна в литературе как теория ДЛФО.
В основе теории ДЛФО лежи
Коллоидных систем
1. Адсорбционно-ионный фактор.
Обусловлен наличием на поверхности частиц двойного электрического слоя и z-потенциала. Чем больше силы отталкивания, тем выше потенциальный барьер, и тем бол
Коагуляция гидрофобных дисперсных систем
Коагуляция – процесс слипания частиц дисперсной фазы с образованием крупных агрегатов.
Коагуляция является следствием нарушения агрегативной устойчивости лиофобных золей. В результа
Концентрационная коагуляция
Концентрационная коагуляция происходит под действием индифферентного электролита, при этом потеря устойчивости вызывается сжатием диффузной части ДЭС при неизменном потенциале ядра (рис. 41)
Нейтрализационная коагуляция
Нейтрализационная коагуляция происходит при добавлении к золю неидифферентного электролита. При этом потенциалобразующие ионы связываются в малорастворимое соединение, что приводит к уменьше
Явление неправильных рядов
Наблюдается при коагуляции золей электролитами, вызывающих нейтрализацию заряда ядра и перезарядку золя. Данное явление заключается в том, что при добавлении таких электролитов золь сначала остаетс
Кинетика коагуляции
Для начала коагуляции необходимо, чтобы частицы преодолели энергетический барьер ΔUк и попали в первый минимум. Для этого необходимо уменьшить силы отталкивания, т.е. снизить
Теория быстрой коагуляции Смолуховского
Основные положения:
1. Частицы монодисперсны и имеют сферическую форму.
2. Частицы дисперсной фазы имеют коллоидные размеры и перемещаются за счет броуновского движения.
Константа скорости быстрой коагуляции
1. Теоретическое определение константы скорости быстрой коагуляции.
Скорость быстрой коагуляции определяется только диффузионной стадией.
Константа скорости медленной коагуляции
При медленной коагуляции силы отталкивания еще присутствуют, т.е. 0 < ς < 30 мВ. Чтобы частицы попали в первый минимум (I min), они должны преодолеть потенциальный барьер ΔU
Рассеяние света
Рассеяние света является характерным свойством коллоидных растворов, отличающим их от истинных.
При пропускании светового луча через прозрачную коллоидную систему, то при наблюдении освеща
Теория светорассеяния Рэлея
Перед рассмотрением основных положений теории Рэлея необходимо вспомнить, что собой представляет световая волна и за счет чего происходит рассеяние света.
Световая волна представляет собой
Поглощение света и окраска золей
Многие коллоидные растворы имеют окраску, что указывает на поглощение ими света. Поглощение света – ослабление светового потока при прохождении его сквозь среду.
Для истинных растворов пог
Оптические методы исследования коллоидных растворов
На явлении рассеяния света коллоидными частицами основан ряд важнейших методов их исследования.
Ультрамикроскопия.
При использовании видимого света обычный микроскоп позво
Броуновское движение
Броуновским движением называют хаотическое равновероятное для всех направлений движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе за счет воздействия молекул дисперсионной среды.
Диффузия
Диффузия – самопроизвольное распространение вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией.
В случае коллоидных растворов идет диффузия частиц дисперс
Особенности строения полимеров
В макромолекулах ВМС имеется два типа связей:
– химические связи, соединяющие атомы в полимерной цепи, очень прочные;
– межмолекулярные связи, возникающие за счет сил Ван-дер-Ваал
Набухание ВМС
При контакте полимера с растворителями происходит его набухание.
Набухание – это самопроизвольный процесс поглощения низкомолекулярного растворителя высокомолекулярным веществом, со
Термодинамика набухания
Процесс набухания идёт самопроизвольно, т.е при р, Т = const
ΔG < 0,
ΔG = ΔH – TΔS. (7.1)
На перво
Факторы, влияющие на набухание
1. Природа ВМС и растворителя (неполярные полимеры хорошо набухают и растворяются в неполярных растворителях, полярные – в полярных).
2. Время жизни ВМС: чем старше полимер, тем хуже он на
Свойства растворов ВМС
Растворение ВМС является самопроизвольным процессом и приводит к уменьшению свободной энергии системы. Поэтому растворы ВМС являются термодинамически устойчивыми и не требуют присутствия стабилизат
Коллоидные ПАВ. Мицеллообразование в растворах ПАВ
Коллоидными ПАВ называют поверхностно-активные вещества, способные в растворах образовывать мицеллы, т.е. ассоциаты, состоящие из большого количества молекул ПАВ (от 20 до 100).
Способност
Применение коллоидных ПАВ
1. Пищевая промышленность.
Коллоидные ПАВ применяют в хлебопекарной, макаронной и кондитерской промышленности. Это позволяет улучшить качество продуктов, увеличить срок хранения за счет уд
Устойчивость пен
Пены, как и другие дисперсные системы, термодинамически неустойчивы. Их образование сопровождается повышением свободной энергии. Избыточная энергия вызывает самопроизвольные процессы, которые ведут
Методы разрушения пен
Некоторые технологические процессы, особенно в химической, текстильной и пищевой промышленности, сопровождаются нежелательным пенообразованием. В ряде случаев образование пены может вызвать серьезн
Практическое применение пен
Пенообразование используют во многих отраслях народного хозяйства – в производстве строительных и теплоизоляционных материалов (пенобетон, пеностекло), пластичных масс (пенопласты), при обогащении
Золи и суспензии
Золи и суспензии, а также их производные – гели и пасты – являются разновидностью одного и того же типа дисперсных систем – Т/Ж, которые различаются размерами и концентрацией дисперсной фазы. Наряд
Основные свойства и устойчивость порошков
К основным технологическим свойствам порошков относят:
1) сыпучесть;
2) слеживаемость в процессе хранения, комкование порошков (аутогезия);
3) уплотняемость – изменение о
Практическое применение порошков
Порошкообразные материалы находят широкое применение в промышленности. В любой отрасли промышленности в той или иной степени используются многочисленные порошкообразные материалы: строительные мате
Типы структур в дисперсных системах
Формирование структур в дисперсных системах с жидкой дисперсионной средой связано с нарушением агрегативной устойчивости. При этом возможно образование структур двух типов. Для структур первого тип
Студни и студнеобразование
Структурированию растворов ВМС способствует анизометричность макромолекул и наличие в полимерных цепочках чередующихся полярных и неполярных фрагментов. В растворах полимеров возможно образование к
Новости и инфо для студентов