ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ ЛЕКЦИЯ 7

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ ЛЕКЦИЯ 7

Содержание лекции 1. Образование двойного электрического слоя (ДЭС). 2. Строение ДЭС. 3. Строение мицелл гидрофобных коллоидов. 4. Электрокинетические явления.

Образование двойного электрического слоя Г=-d /d d =z. Fd q. S=-d /d Z – заряд иона, F=96500 – число Фарадея, d – изменение электрического потенциала поверхности уравнение Гиббса для электроповерхностных явлений ( I уравнение Липпмана) Способы образования ДЭС 1. Специфическая адсорбция потенциалобразующих ионов растворов твердой поверхностью с достройкой кристаллической решетки. 2. Поверхностная диссоциация или переход ионов с твердой поверхности в жидкую среду. 3. Изоморфное замещение ионов. 4. Поляризация твердой поверхности в электрическом поле.

Строение ДЭС По Гельмгольцу (1853) _ С=-d 2σ/d 2 _ + + + _ _ а _ _ _ _ х 0=0 А 2 А _ _ 0→ 0 х 0=max х→∞ А + б _ + + _ + _ + _ _ _ х Обозначения 2, 3 – противоионы в адсорбционном (2) и диффузионном (3) слоях + По Штерну (1924) 1 – потенциалообразующий слой ионов + + _ А + + _ 3 + + = 0 е –Dx + + + _ 0=max 1 По Гуи-Чэпмену (1910) х – толщина адсорбционного слоя

Современные представления о строении ДЭС 1. ДЭС образован потенциалобразующими ионами (ПОИ), находящимися на поверхности твердых частиц (ТЧ), и эквивалентным количеством противоионов (ПИ), находящихся в дисперсионной среде. 2. ПОИ прочно связаны с ТЧ хемосорбционными силами и равномерно распределены на ее поверхности. 3. Дисперсионная среда рассматривается как сплошная среда с постоянной диэлектрической проницаемостью и вязкостью. 4. ДЭС рассматривается как плоскопараллельный, так как толщина ДЭС много меньше радиуса кривизны поверхности ТЧ. 5. ПИ имеют конечные размеры и не могут подходить к поверхности ТЧ на расстояние, меньшее радиуса гидратированного иона.

Современные представления о строении ДЭС (продолжение) 6. Слой ПИ имеет сложное строение и состоит из двух частей – адсорбционного слоя Гельмгольца и диффузионного слоя Гуи. 7. Адсорбционные ПИ связаны с поверхностью ТЧ адсорбционными и электростатическими связями, распределены равномерно, поэтому падение потенциала линейное. 8. Диффузионные ПИ притягиваются электростатическими силами, распределены неравномерно и находятся в динамическом равновесии, поэтому падение потенциала нелинейное. 9. Полный потенциал ДЭС называется термодинамическим потенциалом, а потенциал на границе адсорбционного и диффузионного слоев – электрокинетическим потенциалом.

Изменение - потенциала Изоэлектрическая точка (прямая 1) и перезарядка поверхности (прямая 2) Величина -потенциала зависит от концентрации, размера ионов, адсорбционной способности и валентности противоионов. 1. Добавление одновалентных ионов вызывает сжатие диффузионного слоя и уменьшение -потенциала до 0 (ИЭТ). 2. Добавление многовалентных противоионов может привести к перезарядке поверхности и изменению знака -потенциала.

Схема образования мицеллы Ag. I с положительно заряженным ядром Ag. NO 3(изб. )+KI→Ag. I↓+KNO 3 0 _ NO 3+ _ A тв Ag. I + + Ag+ NO 3 - + Ag+ NO 3 Ag. I + Ag+ NO 3 агрегат + + + Ag NO 3 + _ Ag + _ + NO 3 - Ag+ NO 3 - -потенциал NO 3 - x B Адсорбционный Диффузный слой Адсорбционный слой Диффузный слой {/[(m. Ag. I)n. Ag+](n-x)NO 3 -/x. NO 3 -} агрегат ядро частица/гранула мицелла

Схема образования казеиновых мицелл казеин 0 _ Ca 2+ A n R СOOH _ + -потенциал _ NH 2 _ + + _ COO+ + + _ B Адсорбционный слой казеин _ COO- Ca 2+ _ n R СOOH _ COO 2+ _ COO- Ca NH 2 _ COO_ Ca 2+ COO Ca 2+ x Диффузный слой Адсорбционный слой Диффузный слой {/[(mказеин)n. СOO-](n-x)Ca 2+/x. Ca 2+} агрегат ядро частица/гранула мицелла

Классификация электрокинетических явлений Явление Сущность явления Причина явления Электрофорез Движение твердых частиц Приложенное извне дисперсной фазы относительно электрическое жидкой дисперсионной среды напряжение (разность потенциалов) Электроосмос Движение жидкости (дисперсионной среды) относительно капиллярнопористого тела Потенциал течения Возникновение разности потенциалов при продавливании жидкости через капиллярно-пористую перегородку Потенциал Возникновение разности седиментации потенциалов между точками, расположенными на разной высоте дисперсионной системы Приложенное извне электрическое напряжение (разность потенциалов) Движение жидкости (дисперсионной среды) относительно капиллярно -пористого тела Движение твердых частиц дисперсной фазы относительно жидкой дисперсионной среды

Электрокинетические явления 1 – потенциалообразующий слой ионов 2, 3 – противоионы в адсорбционном (2) и диффузионном (3) слоях Схема электрофореза (1809 г. – Ф. Рейс) Схема возникновения потенциала седиментации (1878 г. – Дорн) 1 – дисперсная система 2 – перегородка Схема электроосмоса (1809 г. – Ф. Рейс) Схема возникновения потенциала течения (1858 г. – Квинке)

Электрофоретическая подвижность 0 = E 8. 85· 10 -12 E = где: – скорость движения частицы – диэлектрическая проницаемость 0 – диэлектрическая постоянная – электрокинетический потенциал – вязкость дисперсионной среды – коэффициент формы частицы E – напряженность электрического поля

Электрокинетические явления в биосфере и техносфере § Электрофорез применяется в медицине для направленного транспорта лекарственных веществ. Широко используется как метод анализа, очистки и фракционирования частиц дисперсной фазы (белков, аминокислот, гормонов и др. ). § Электроосмос применяется для удаления избыточной влаги из капиллярно-пористых тел (зерна, грунта, цемента, древесины и др. ). § Потенциал течения возникает при протекании крови по сосудам и регистрируется в виде кардиограммы. Служит одной из причин взрывов трубопроводов с нефтью. § Потенциал седиментации возникает при оседании твердых градовых частиц и является причиной грозовых разрядов в атмосфере.

Вопросы к лекции 7 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Взаимосвязь каких величин показывает первое уравнение Липпмана? Что является причиной возникновения двойного электрического слоя? Какое строение имеет ДЭС согласно теориям Гельмгольца, Гуи. Чэпмена и Штерна? Дайте определение электрокинетического потенциала. От каких факторов зависит его величина? Почему при добавлении многовалентных противоионов может произойти перезарядка поверхности и изменению знака потенциала? Что такое мицелла и какое строение она имеет? Какие явления называют электрокинетическими? Дайте определение электрофореза, электроосмоса, потенциала течения и потенциала седиментации. От каких факторов зависит электрофоретическая подвижность частиц? Приведите примеры использования электрокинетических явлений на практике.