ЭлектрокинетическиХ явлениЙ

Тема 2. Свойства дисперсных систем, их

Устойчивость и коагуляция

Электрические свойства дисперсных систем

Л е к ц и я

Саратов – 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Общая характеристика электрокинетических явлений.

2. Причины возникновения заряда на поверхности частиц.

Заключение

ЛИТЕРАТУРА

1. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. – М.: Химия, 1989. – С. 256 – 267.

2. Гельфман М.И., Ковалевич О.В., Юстратов В.П. Коллоидная химия. – СПб.: «Лань», 2003. – С. 101 – 106.

НАГЛЯДНЫЕ ПОСОБИЯ И ПРИЛОЖЕНИЯ:

Слайды:

1. Электрические свойства дисперсных систем.

2. Возникновение заряда на поверхности частиц.

ВВЕДЕНИЕ

На прошлых лекциях были рассмотрены молекулярно-кинетические и оптические свойства дисперсных систем. Своеобразие свойств дисперсных систем проявляется и в их электрических свойствах. Для твердофазных систем характерны так называемые электрокине-тические явления, которые обусловлены возникновением электрическо-го заряда на поверхности частиц дисперсной фазы в водной дисперсион-ной среде.

Целью лекции является ознакомление с электрокинетическими явлениями и рассмотрение причин возникновения заряда на поверхнос-ти частиц дисперсной фазы.

ОБЩая ХАРАКТЕРИСТИКа

ЭлектрокинетическиХ явлениЙ

Электрокинетические явления были открыты профессором Московского университета Ф.Ф. Рейссом в 1808 г. при исследовании электролиза воды. Он поставил два эксперимента.

В одном была использована U-образная трубка, перегороженная в нижней части неподвижной перегородкой из толченого кварцевого песка (SiO₂) и заполненная водой. В оба колена трубки были введены электроды, подключенные к источнику тока. При наложении электричес-кого поля Рейсс обнаружил движение жидкости в сторону отрицательно заряженного электрода. При наложении разности потенциалов в 100 вольт разность уровней воды в коленах трубки составляла примерно 20 см. (рисунок 1).

После отключения тока разность уровней жидкости быстро уменьшалась. Поскольку без перегородки движение жидкости отсутство-вало, последовал вывод о том, что вода приобретает положительный заряд при контакте с частицами кварца. Это явление получило название электроосмоса.

Электроосмос – это явление перемещения жидкости в неподвижных пористых телах под действием внешнего электрического поля.

Рис. 1. Электроосмос

В 1852 г. Видеман показал, что объемная скорость электроосмоса (объем жидкости, перенесенный через пористую мембрану за единицу времени) прямопропорциональна силе тока, и не зависит от площади сечения и толщины диафрагмы.

В другом опыте Рейсс погрузил во влажную глину две стеклянные трубки, заполнил их водой, ввел в них электроды и подключил постоянный ток. После наложения электрического поля он наблюдал перемещение жидкости к отрицательному электроду (как и в предыдущем опыте), а частиц глины в жидкости в направлении положительно заряженного электрода (рисунок 2). Это явление получило название электрофореза.

Электрофорез – явление перемещения частиц дисперсной фазы под действием внешнего электрического поля.

Рис. 2. Электрофорез

Глина в данном случае играла роль пористой перегородки, однако частицы глины не были закреплены неподвижно, как в предыдущем опыте, и поэтому могли перемещаться под действием электрического поля. Из этого опыта был сделан вывод о том, что при контакте дисперсной фазы (частиц глины) и дисперсионной среды (воды) обе фазы приобретают заряд и движутся в противоположных направлениях под действием внешнего электрического поля. Скорость электрофореза (скорость перемещения частиц) зависит от напряженности наложенного электрического поля.

Позднее были изучены явления, противоположные электроосмосу и электрофорезу.

В 1859 году Квинке показал, что существует явление обратное электроосмосу. Он поставил следующий опыт. Через сосуд, имеющий пористую перегородку (или диафрагму) под давлением прокачивалась вода. По обе стороны диафрагмы были введены электроды, подключен-ные к милливольтметру. Было установлено, что при течении жидкости через пористое тело под влиянием перепада давлений в системе возникает разность потенциалов (рисунок 3), пропорциональная давлению, под которым протекает жидкость. Это явление получило название эффект Квинке или потенциал течения.

Рис. 3. Эффект Квинке

Эффект Квинке или потенциал течения – это явление возникновения разности потенциалов на электродах, расположенных по обеим сторонам неподвижной пористой перегородки при продавливании через нее жидкости.

Потенциал течения пропорционален объемной скорости фильтрации (объему жидкости, протекающему через диафрагму за единицу времени) и не зависит от размера диафрагмы.

Квинке наблюдал возникновение разности потенциалов при течении воды и водных растворов через разнообразные пористые материалы (глина, дерево, песок, графит). Это явление характерно и для живых организмов. Например, при движении крови в артериях возникает небольшой потенциал течения (1 – 2 мВ), имеющий важное биологическое значение.

В 1878 Дорн открыл эффект, обратный электрофорезу. Он измерял разность потенциалов между двумя одинаковыми электродами, расположенными на разной высоте цилиндра, при оседании в воде мельчайших стеклянных бус или крупинок песка (рисунок 4). Возникающая разность потенциалов обычно очень мала.

Рис. 4. Эффект Дорна

Это явление получило название потенциал седиментации или оседания (эффект Дорна).

Потенциал седиментации – это явление возникновения разности потенциалов на электродах, расположенных на разной высоте в сосуде при осаждении дисперсной фазы.

Таким образом, потенциал седиментации возникает при движении частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде.

Все вышеперечисленные явления называются электрокинетичес-кими, поскольку в них проявляется взаимосвязь между электрическими процессами и относительным перемещением дисперсной фазы и дисперсионной среды (то есть кинетикой).

Различают:

1) электрокинетические явления первого рода - перемещение фаз дисперсной системы относительно друг друга под действием приложенного напряжения; к ним относятся:

а) электрофорез – движение частиц дисперсной фазы в неподвижной дисперсионной среде;

б) электроосмос – движение жидкости относительно неподвижной твердой поверхности пористых мембран;

2) электрокинетические явления второго рода - возникновение разности потенциалов вследствие вынужденного относительного движения фаз; различают:

а) потенциал седиментации (эффект Дорна) – возникновение разности потенциалов при движении частиц в неподвижной жидкости;

б) потенциал течения (эффект Квинке) – возникновение разности потенциалов при движении жидкости относительно неподвижной твердой поверхности пористых мембран.

Совершенно очевидно, что причина всех электрокинетических явлений заключена в возникновении противоположных по знаку зарядов на поверхности частиц дисперсной фазы и в жидкой дисперсионной среде. Рассмотрим более подробно причины, обуславливающие возникновение заряда на поверхности частиц дисперсной фазы.