Электрокинетический потенциал. Факторы влияющие на его величину.

При тепловом движении молекул коллоидные частицы вовлекаются в молекулярно-кинетическое движение среды. Это явление было обнаружено в 1927 г. английским ботаником Робертом Броуном, наблюдавшим в микроскоп непрерывное движение (броуновское движение) очень мелких частичек - спор цветочной пыльцы, взвешенных в воде. В настоящее время теоретически и экспериментально доказано, что молекулы среды (жидкости или газа) сталкиваются с частицей дисперсной фазы, в результате чего она получает огромное число ударов со всех сторон (более 10²⁰ толчков/с).

При больших размерах частицы результирующий импульс огромного числа ударов со всех сторон согласно соответствующему закону статически оказывается равным нулю, и частица большой массы и инерционности не будет двигаться под действием теплового движения молекул. Очень малые частицы имеют значительно меньшую массу и поверхность, на которую будет приходиться гораздо меньшее число ударов, поэтому увеличивается вероятность неравномерности распределения импульсов с разных сторон, в результате чего частица приобретает колебательное и поступательное движение.

Эйнштейн (1905 г.) и Смолуховский (1906г.) независимо друг от друга, постулируя единство броуновского и молекулярно-кинетического движений, установили количественную связь между средним сдвигом частицы А (называемым иногда амплитудой смещения) и коэффициентом диффузии D за время r:

3.7

выражающую закон Эйнштейна - Смолуховского. Коэффициент D в уравнении (3.7) получают из уравнения Эйнштейна:

3.8

где k-постоянная Больцмана; Na - число Авогадро; В - коэффициент трения; Т - температура. Уравнение (3.7) в предположении применения закона Стокса к движению частиц:

3.9

трансформируется к виду:

3.10

Из уравнения (3.10) следует, что частицы перемещаются тем быстрее, чем меньше размер частиц г, вязкость жидкой фазы и чем выше температура.

При движении коллоидных частиц в жидкости, т. е. при относительном перемещении фаз, происходит разрыв ДЭС по плоскости скольжения. Часть диффузного слоя захватывает частица, а часть ионов остаются в растворе, в результате чего устанавливается разность потенциалов между движущейся коллоидной частицей и окружающей ее средой на поверхности скольжения при отрыве части диффузного слоя. Потенциал на поверхности скольжения называется электрокинетическим, потенциалом или s (дзета) - потенциалом.

Значение дпотенциала всегда меньше потенциала ДЭС, и это различие тем больше, чем меньше толщина диффузной части слоя (рис. 3.2). Поэтому такие факторы, как понижение температуры, введение в раствор электролита (C₃>C₂>C₁), не взаимодействующего с поверхностью, а также увеличение заряда его ионов, снижая толщину диффузного слоя, уменьшают электрокинетический потенциал.

Электрокинетические характеристики системы зависят в большой степени от свойств поверхности контактирующих фаз и рН среды, поскольку ионы H⁺ и ОН^- обладают высокой специфической адсорбционной способностью.

Так, многие неорганические оксиды (кремния, железа, алюминия) характеризуются активной поверхностью, содержащей ионогенные группы, диссоциация которых в зависимости от рН раствора, как отмечалось, определяет заряд поверхности.

Потенциал таких коллоидных оксидов может достигать 100 мВ, а при изменении рН среды в интервале выше и ниже значения рНиэ возможна перезарядка фазы.

На инертных поверхностях (графите, масле и др.), лишенных ионогенных групп, заряд возникает в результате специфической адсорбции ионов.

Экспериментально значение электрокинетического потенциала определяют методом электрофореза, используя модифицированное расчетное уравнение Гельмгольца - Смолуховского:

3.11

где u - средняя линейная скорость движения частиц; Е - градиент потенциала внешнего электрического поля. Отношение u/Е при электрофорезе называют электрофоретической подвижностью и эф. Для расчета потенциала, В, на коллоидных частицах, находящихся в разбавленных водных растворах при 20°С, используют соотношение:

3.12

где U_Эф выражена в м²/(c*В); опытные значения U_Эф достигают 5*10^-8 м²/(c*В), а в соответствии с (3.12) -потенциал коллоидов природных вод составляет около 70 мВ.

Коллоидные системы в природных водах имеют обычно одинаковый отрицательный заряд и характеризуются агрегативной устойчивостью, т.е. стабильностью дисперсности, распределением по объему и взаимодействием между частицами. Потеря агрегативной устойчивости дисперсной системой, заключающаяся в слипании частиц, представляет собой, как отмечалось, коагуляцию. которая приводит в конечном счете к расслоению фаз.

Схема переходов дисперсных систем в различные состояния представлена на рис. 3.3. Устойчивая дисперсная фаза, равномерно распределенная по всему объему, может образовываться в результате конденсации из истинного раствора. Потеря агрегативной устойчивости при воздействии на систему - первый этап коагуляции заключается в сближении коллоидных частиц и взаимной их фиксации на небольших расстояниях, разделенных прослойками среды, с образованием так называемых флокул, в которых частицы обладают относительной подвижностью при воздействии относительно небольших сил. Обратный процесс разрушения флокул называется пептизацией.

Рис 3.3. Схема процессов протекающих в дисперсных системах

Более глубокий процесс коагуляции приводит к разрушению прослоек жидкости и непосредственному контакту частиц с образованием жестких структур из твердых частиц (или слиянию жидких, например нефтепродуктов, называемому коалесценцией). Разрушения образовавшихся структур можно достичь только принудительным диспергированием. Таким образом, в ходе коагуляции осуществляется ряд процессов структурообразования, протекающих с уменьшением удельной поверхности системы. Каждая промежуточная структура имеет свои свойства.

При рассмотрении агрегативной устойчивости и скорости коагуляции коллоидных систем различают ряд факторов устойчивости. В реальных системах действуют смешанные факторы, проявляющиеся как совокупность термодинамических (снижающих межфазное натяжение) и кинетических факторов (проявление свойств межчастичных прослоек).

Несмотря на отсутствие количественной теории агрегативной устойчивости, в настоящее время разработана достаточно детально электростатическая теория устойчивости, ряд положений которой рассматривается ниже.

Дата добавления: 2015-07-15