Объяснение электрокинетических явлений

Рассмотрим поведение частиц дисперсной фазы в электрическом поле. Для примера возьмем частицы, изображенные на рисунке 5. Поскольку поверхность частиц заряжена отрицательно, то частицы будут перемещаться к положительно заряженному электроду, то есть к аноду. В этом и заключается причина электрофореза. Противоионы, находящиеся в растворе, будут, наоборот, перемещаться к катоду, увлекая за собой жидкость, поскольку каждый ион гидратирован и имеет гидратную оболочку (рисунок 9).

Рис. 9. Схема электрофореза

Следует отметить, что явление электрофореза характерно главным образом для коллоидных растворов (золей), в которых размеры частиц дисперсной фазы не превышают 0, 1 мкм. По этой причине в опыте Рейсса грубодисперсные частицы кварцевого песка не перемещались под действием электрического поля, а высокодисперсные частицы глины (муть) перемещались.

Теперь остановимся на объяснении причин электроосмоса.

Рассмотрим пористую перегородку из кварцевого песка SiO₂. В перегородке имеются поры (или капилляры). На внутренней поверхности капилляров имеются силанольные группы ≡ SiOН, образовавшиеся за счет гидролиза поверхностных молекул SiO₂. Силанольные группы диссоциируют:

≡ SiOН «≡ SiO^- + Н⁺

Силанольные группы прочно связаны с поверхностью капилляров и поэтому после диссоциации поверхность капилляров приобретает отрицательный заряд, а ионы водорода переходят в раствор, в котором могут свободно перемещаться (рисунок 10). Вокруг каждого иона водорода (правильнее сказать вокруг иона гидроксония) возникает гидратная оболочка из диполей воды (обозначим условно):

После наложения внешнего электрического поля ионы водорода вместе с гидратной оболочкой устремляются к катоду, увлекая за собой жидкость. На освободившееся место в капилляре устремляется вода с другой стороны перегородки (рисунок 1). Уровень жидкости в катодной части пространства повышается, а в анодной – понижается.

Электроосмос может наблюдаться не только в высокодисперсных, но и в средне- и грубодисперсных системах – пористых телах.

Рис. 10. Схема электроосмоса. Капилляры в пористой перегородке: поверхность пор заряжена отрицательно, внутри пор ионы водорода с гидратной оболочкой перемещаются свободно

Аналогично можно рассмотреть причины возникновения потенциала седиментации и потенциала течения.

Потенциал седиментации противоположен электрофорезу. И в том и в другом случае происходит движение частиц. При оседании заряженные частицы опускаются на дно сосуда, создавая избыточный заряд (в приведенном примере – отрицательный) в нижней части сосуда, а противоионы (с противоположным зарядом) остаются в верхней части сосуда, создавая избыточный положительный заряд. Из-за этого возникает разность потенциалов (рисунок 11).

Потенциал седиментации проявляется в седиментационно-неустойчивых системах, то есть средне- и грубодисперсных, в которых под действием силы тяжести происходит оседание частиц.

Рассмотрим причины возникновения потенциала течения. При продавливании жидкости через пористую перегородку (рисунок 10) происходит перенос положительно заряженных гидратированных ионов водорода из капилляров по одну сторону перегородки.

Рис. 11. Схема возникновения потенциала седиментации

На одной из сторон перегородки образуется избыточный положи-тельный заряд, что и приводит к возникновению разности потенциалов по обе стороны перегородки.

Потенциал течения, как и электроосмос, может наблюдаться не только в высокодисперсных, но и в средне- и грубодисперсных системах.

В целом, можно отметить, что электрокинетические явления зависят от формы и материала частиц, структуры ДЭС, наличия в жидкости примесей и многих других факторов.