ЭЛЕКТРОПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ДВОЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛОЙ ДЭС

ЭЛЕКТРОПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ: ДВОЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛОЙ (ДЭС) И ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

ПРИЧИНЫ ОБРАЗОВАНИЯ ДЭС 1. Адсорбция ионов из раствора на твердой поверхности: … … … I Ag Ag I I + n. I- (раствор) Ag … … … I Ag I- 2. Диссоциация поверхностных соединений: O OH … Si OH О Н 2 О … … O O Si O OO Si OO + n. H+

ПРИЧИНЫ ОБРАЗОВАНИЯ ДЭС 3. Переход ионов с твердой поверхности в раствор при установлении электрохимического равновесия: Ag Ag+ Ag. NO 3 (разб. раствор) Ag Ag+ n. Ag+ Ag. NO 3 (разб. раствор) μAg в пластине > μAg в растворе 4. Поляризация твердой поверхности внешним источником тока: Пример. Заряжение поверхности металлов

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ, ОПИСЫВАЮЩИЙ СОСТОЯНИЕ ИОНОВ В РАСТВОРЕ μi = μi 0 + RT lnni + zie (x, y, z)NA

МОДЕЛИ СТРОЕНИЯ ДЭС 1. Модель Гельмгольца zie – заряд иона (с учетом знака) е – заряд электрона Потенциалопределяющие ионы -φ Δφ= φ0 0 - + + + + Объем раствора Коионы Противоионы n 0+ = n 0 Противоионы ∆ Расстояние, x

МОДЕЛИ СТРОЕНИЯ ДЭС 2. Модель Гуи-Чепмена ni – количество ионов в диффузном слое; n 0 i – количество тех же ионов в объеме раствора; k – константа Больцмана - φ Диффузный слой противоионов - φ0 + + + + 0 + + δ x

ИЗМЕНЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРОТИВОИОНОВ (n-), КОИОНОВ (n+) И ИХ СУММАРНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ (n++n-) В ДИФФУЗНОЙ ЧАСТИ n 0 (Е. Д. Щукин, А. В. Перцов, Е. А. Амелина. Коллоидная химия, М. : Высшая школа, с. 146, 2006)

МОДЕЛИ СТРОЕНИЯ ДЭС 3. Модель Штерна - φ Плотный слой или слой Штерна-Гельмгольца Диффузный слой Гуи. Чепмена - φ0 Объемный раствор n 0+ = n 0 - - φd 0 d~2 r δ x

ЗАВИСИМОСТЬ ПОТЕНЦИАЛА ДИФФУЗНОГО СЛОЯ ОТ РАССТОЯНИЯ ОТ ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ Уравнение Пуассона где

Слабозаряженные поверхности Сильнозаряженные поверхности ≈ 100 м. В (экранирование)

ФОРМУЛА МИЦЕЛЛЫ ГИДРОФОБНОГО ЗОЛЯ Ag. I Ag. NO 3 + KI = Ag. I + KNO 3 изб. {(m. Ag. I) n. I- (n-x)K+ }x- x. K+ Агрегат Ядро Коллоидная частица Мицелла

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЭС: - Толщина плотного слоя d - Эффективная толщина диффузного слоя δ - Потенциал поверхности φ0 - Потенциал плотного слоя φd - Электрокинетический потенциал ζ

СОСТОЯНИЕ ВОДЫ ВБЛИЗИ ЗАРЯЖЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ Граница скольжения + + + ηV + + + + + + + + + + + + + η + + + + + + + + x

ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ (ζ – ПОТЕНЦИАЛ) - φ Граница скольжения - φ0 - φd Объемный раствор n 0+ = n 0 - - ζ 0 d~2 r δ x

ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРЯМЫЕ ЭЛEКТРОФОРЕЗ ЭЛЕКТРООСМОС (С. С. Воюцкий. Курс коллоидной химии, М. : Химия, с. 170, 1975)

ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ОБРАТНЫЕ ТОК И ПОТЕНЦИАЛ СЕДИМЕНТАЦИИ ТОК И ПОТЕНЦИАЛ ТЕЧЕНИЯ ∆Р I I

ВЫВОД УРАВНЕНИЯ ГЕЛЬМГОЛЬЦА - СМОЛУХОВСКОГО φ φ0 + + + τE + + + Е - τE x ∆

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОЛИТОВ НА СТРОЕНИЕ ДЭС Электролиты Индифферентные ζ 0 Не содержат Меняют Не меняют ионы, которые могут достроить кристаллическую решетку Неиндифферентные Содержат ионы, Меняют которые могут достроить кристаллическую решетку Меняют

ВЛИЯНИЕ ИНДИФФЕРЕНТНЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ НА ПАДЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА В ДЭС { (m. Ag. I) n. I- (n-x)K + }x- x. K + KNO 3 - ζ - 0 ИЭТ - ζ 0 с - ζ 1 0 – без электролита - ζ 2 3 0 2 1 0 1– 3 – при добавлении электролита С 1 < С 2 < С 3 х

ВЛИЯНИЕ ИНДИФФЕРЕНТНЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ НА ПАДЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА В ДЭС - { (m. Ag. I) n. I- (n-x)K + }x- x. K + - 0 KNO 3 Rb. NO 3 Одинаковая концентрация всех трех электролитов Cs. NO 3 Cs+ Rb+ К+ 0 х

ЛИОТРОПНЫЕ РЯДЫ • Ряды ионов с убывающей адсорбционной способностью называются лиотропными рядами. Примеры: Одновалентные катионы Cs+ > Rb+ > K+ > Na+ > Li+ Двухзарядные катионы Ba 2+ > Sr 2+ > Ca 2+ > Mg 2+ Однозарядные анионы CNS- > I- > NO 3 - > Br- > Cl-

ИОННЫЙ ОБМЕН Уравнение Никольского ; cis – концентрация в двойном слое ci. V – активность в растворе i – адсорбционный потенциал Адсорбционная способность увеличивается с возрастанием заряда иона, для равнозарядных ионов – с увеличением их радиуса. Катионитные смолы: -SO 3 -, -COO-, -C 6 H 4 O- - обмен H+ на катионы Анионитные смолы: -NH 3+, =NH 2+, HN+ - обмен OH- на анионы Умягчение воды Обессоливание воды (до 10 моль/кг) Извлечение тяжелых металлов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИОННОГО ОБМЕНА ДЛЯ УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ Вода, содержащая ионы Ca 2+ (или Mg 2+) и придающие ей жесткость Ионообменник Ионообменная смола

ВЛИЯНИЕ ИНДИФФЕРЕНТНЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ИОНЫ, СПЕЦИФИЧЕСКИ АДСОРБИРУЮЩИЕСЯ В ПЛОТНОМ СЛОЕ Al(NO 3)3 { (m. Ag. I) n. I- (n-x)K + }x- x. K + − − − + + + − − + + Al 3+ − − -φd -ζ 0 -ζ 1 +ζ 3 +ζ 2 +φd + − − + + x + 3+ 3+ − − − ζ − 3+ 3+ − − − ИЭТ с

ВЛИЯНИЕ НЕИНДИФФЕРЕНТНЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ НА ПАДЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА В ДЭС Ag. NO 3 { (m. Ag. I) n. Ag+ (n-x)NO 3 - }x+ NO 3 - 0 0(2) 0(1) 0 с ζ 3 0 1 2 x с

ВЛИЯНИЕ НЕИНДИФФЕРЕНТНЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ НА ПАДЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА В ДЭС KI { (m. Ag. I) n. Ag+ (n-x)NO 3 - }x+ NO 3 0 0 0(1) с 0(2) 2 3 - 0(3) - 0(4) - 0(5) 6 1 4 0 5 ζ х ИЭТ с

УРАВНЕНИЕ МИХАЭЛИСА Состояние макромолекулы белка в зависимости от р. Н раствора H 3 N+ ― Prot ― COO ¯ RH 2+ RH R ¯ p. H < p. I Появляется катион белка (Н 2 Prot)+ p. H = p. I Нейтральная молекула белка (НProt) p. H > p. I Появляется анион белка (Prot)-

ВЛИЯНИЕ СПЕЦИФИЧЕСКИ АДСОРБИРУЮЩИХСЯ ИОНОВ НА ИЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ И ИЗОИОННОЕ СОСТОЯНИЕ МАКРОМОЛЕКУЛЫ БЕЛКА + + _ _ + _ + + + _ _ + РАСТВОР + Анионы формируют ДЭС вокруг макромолекулы Сдвиг ИЭТ - в щелочную область Сдвиг ИИТ - в кислую область

ЗНАЧЕНИЯ ИЗОИОННЫХ ТОЧЕК НЕКОТОРЫХ БЕЛКОВ Белок p. I Пепсин желудочного сока 2, 0 Казеин молока 4, 6 Гемоглобин 6, 68 Химотрипсин 8, 6 Рибонуклеаза 9, 5 Цитохром С 10, 7

Клетки позвоночных несут отрицательный заряд. В гематологии: Аналитический и препаративный клеточный электрофорез: -количественная оценка величины поверхностного заряда (судят по электрофоретической подвижности - скорости смещения при единичной напряженности электрического поля); - разделения суспензии клеток на различные фракции, что очень важно для их последующей качественной характеристики. Электрический поверхностный заряд и электрофоретическая подвижность клеток крови не зависят от -их групповой принадлежности, -резус-фактора, -пола, -расы людей. Электрофоретическая подвижность клеток периферической крови: эритроциты (1, 128± 0, 02). 10 -8 м 2/В. с; лимфоциты (1, 025± 0, 014). 10 -8 м 2/В. с; нейтрофилы (0, 884± 0, 024). 10 -8 м 2/В. с; тромбоциты (0, 91 ± 0, 02). 10 -8 м 2/В. с.

Исследование электрофоретической подвижности эритроцитов периферической крови детей. 1. Установлено понижение электрофоретической подвижности эритроцитов периферической крови детей при острой респираторной вирусной инфекции и пневмонии по сравнению со здоровыми детьми, но это понижение является временным. 2. Эритроциты периферической крови у детей с заболеваниями органов пищеварения характеризуются снижением электрофоретической подвижности, что свидетельствует о физикохимических изменениях поверхностной мембраны эритроцитов на фоне интоксикации при этих заболеваниях. 3. Метод клеточного электрофореза применим в амбулаторной педиатрической практике как важный критерий диагностики с учётом его информативности и возможности определения в капиллярной крови, взятой из пальца.

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ Электрофореграммы плазмы крови человека: здорового больного нефритом А – альбумин, α, β, γ-глобулины, Ф - фибриноген (Д. А. Фридрихсберг. Курс коллоидной химии, Санкт-Петербург: Химия, с. 219, 1995)

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ Примерная схема проведения электрокинетической ремидиации почв на местности. 1 – Аноды 2 – Катоды 3 – Системы регулирования р. Н 4 – Загрязненная область 5 – Емкость для сбора загрязнителя