Дәріс.

Тақырыбы «Коллоидты жүйелердің электрлік қасиеттері»

Жоспар

1.Электрокинетикалық құбылыстардың элементар теориясы.

2. Агрегативті немесе құрылымдық тұрақтылық.

Электрокинетикалық құбылыстардың элементар теориясы.

Экспериментальді берілгені бойынша электрокинетикалық потенциалды анықтайтын теңдеулерді Г. Гельмгольц бастамасымен М. Смолуховский және Ж. Перрен ашты.

Электрофорез және электроосмос теңдеулерін қорыта келе екі модельді қарастырамыз. Олардың бірі – цилиндірлік капиллярлы торлармен өткізілген жай мембрана, екіншісі – дисперсті жүйе, яғни осьтері электрлік аймақтағы тоқ сызықтарының бағытымен сәйкес келетін ұзын цилиндрлік бөлшектерден тұрады. Екі еселенген электрлік қабатты жайпақ конденсатор ретінде қараймыз. Алынған көлемдік қатынасты қолданған кезде орындалатын шарттар:

а) капилляр немесе дисперсті фаза бөлшектерінің көлемі қосарланған элетр қабатының қалыңдығын жоғарылатады;

б) сұйық молекулалары беткі бөлікке түсіп жылжып кетпейтіндей етіп жасалады;

в) жүйедегі иондардан тұратын сұйықтықпен ауыстырылады.

Дисперсті фаза бөлшектерін сұйық ортада немесе сұйықтықтың мембрана капиллярында ауысуын орындайтын электрлік әрекет ету күшін табайық:

F_эл = qFO (1)

мұндағы, q – зарядтың беткі бөлік тығыздығы;

O – беткі бөлік ауданы;

F – қарсыласу күші.

(1) – формуласы бөлшектің электрофоретикалық қозғалысын сипаттауда және сұйықтықтың электроосмостық қозғалысын сипаттауды қолданылады. Егер қозғалыс жылдамдығы тұрақталса, онда электроосмостық әрекет ету күші ортаның қарсыласу күшіне F_қарс тең болады. Соңғы күш Ньютон заңы бойынша анықталады:

F_қарс = (2)

мұндағы, - сұйықтықтың тұтқырлығы;

W – фазааралық ауысудың қатыстық жылдамдығы;

- қасарланған электр қабатының қалыңдығы;

О – қасарланған электр қабатының ауданы.

(2) – формуласын қолдана отырып фазаның қатыстық ауысуын былай сипаттауға болады. Қосарланған электр қабатының ішіндегі сұйық орта екі беткі бөлік арасында майлағыш ретінде жүреді. Майлағыш тұтқырлығы бір қабаттың екіншісіне ауысуы арқылы жоюға міндетті қарсыласу күшін анықтайды.

(1) және (2) формулалары бөлшектің электрофоретикалық қозғалысын және сұйықтың электроосмостық ағымы үшін де қолданылады.

Бөлшектердің электрофоретикалық жылдамдығы және сұйықтың электроосмостық ағымы немесе Квинке мен Дорнның эффектісімен өлшенетін электрокинетикалық потенциал немесе - потенциал мына қатынастағы заряд тығыздығымен байланысты:

Жоғарыдағы формулаларды қорыта келе мынаны аламыз:

(3)
немесе, (4)

(4) – формуласы - потенциалын анықтау үшін қолданылады, егер дисперсті фаза цилиндірлік бөлшектерден тұратын болса. Сферикалық бөлшектер үшін басқа формуланы шығарайық. Тұтқырлы сұйықтықтың қарсыласу күші ондағы сферикалық бөлшектердің қозғалуына байланысты Стокс формуласы бойынша анықталады:

F_қарс =

Электростатикалық әрекет ету күші беткі бөлік зарядына Q –ге тең болады:

F_эл = QE

Қос электр қабатымен қоршалған бөлшекті сферикалық конденсатор ретінде қарастыруға болады. Егер ішкі сфераның радиусы r, ал сыртқы (r + ), бұндағы - қос электр қабатының қалыңдығы, онда конденсатор сыйымдылығын мына формуламен анықтайды:

Беткі бөлік зарядын және электроосматикалық әсер ету күшін табамыз:

,

.

F_қарс және F_эл күшін теңестіру нәтижесінде мынаны аламыз:

,

және

Егер қос электрлі қабаттың қалыңдығы бөлшек көлемінен айтарлықтай үлкен болса, онда r . Бұл жағдайда жай формулаларды қолдануға болады:

W = ,

W

Жалпы бұл теңдеу бөлшектерді электрофоретикалық қозғалысын сипаттайды:

W = (5)

Мұндағы, f – сандық көбейткіш.

(5) теңдеуіне Э.Хюккель және Д.Генри анализ жүргізді. Олар электрлік аумақтың қозғалысы кезіндегі иондар қозғалысы жайлы зерттеді.

Бөлшектің қозғалысына қарама-қарсы дисперсті орта иондары бөлшектердің ауысуына кедергі келтіреді.

Радиусы r_i болатын капилляр арқылы өтетін сұйықтың көлемі мынаған тең:

V_i = (6)

Мембрана арқылы өтетін сұйықтың көлемін бүкіл капилляр көлемінің суммасы бойынша анықтаймыз:

(7)

- сумасынан құтылу үшін келемсі әдіст і пайдаланамыз. Мембрананы капиллярдың паралельді қосылған өткізгіші ретінде қарстырамыз. Мембрананың электрлік қарсыласуын- R мына формуладан табамыз:

мұндағы, R_i – бір капиллярдың қарсыласуы;

- капиллярдағы сұйықтықтың электр өткізгіштігі;

l – капилляр ұзындығы;

I – тоқ күші;

U – кернеу.

Содан,

Нәтижесінде:

(8)

(9)

(8) және (9) теңдеулері келесі шарттарды орындағанда жүзеге асады: а) қос электр қабатының қалыңдығы капилляр радиусынан едәуір ауыр; б) капилляр қабырғасының электр өткізгіштігі ерітіндінің электр өткізгіштігімен салыстырғанда аз болады.

Аудан бөлшегінің өзгеруі

Жіңішке поралы мембрананы қолданған кезде бірінші шарт бұзылады. 1 - ші суретте аудан бөлшегі қалай өзгеретіні схеме түрінде көрсктілген. Ол өскен сайын цилиндр арқылы өтетін сұйықтық шығыны азаяды.

Оның нәтижесінде, қабынған бөлшек концентрациясы сұйықтың көлемі бойынша концентрациясынан үлкен болады. Сондықтан, капиллярдағы ерітіндінің электр өткізгіштігі сұйықтың орташа электр өткізгіштігін жоғарылатады. Бұл құбылыс беткі бөліктің электр өткізгіштігі деп аталады және электроосмостық эффектісі дәл сипатталғанкезде есептеледі. Егер мембрананы горизонталь орналастырса, онда электроосмос деп аталатын гидростатикалық қысымның өткізгіштігін бақылауға болады. - потенциал мен электроосмостық қысым арасындағы тәуелділікті электроосмостық қозғалыс және гидростатикалық қысым әсерінің нәтижесінде болатын тасқында түзету арқылы табамыз. Бір капиллярға арналған бірінші себеп мына формуламен анықталады

Хаген- Пуазейя теңдеуі бойынша қарсы тасқынды анықтаймыз:

мұндағы, l – капилляр ұзындығы.

Тасқын теңелген кезде мына теңдеу шығады:

(10)

Осының нәтижесінде электроосмостық қысым - , кернеумен – U анықталады.

2.Агрегативті немесе құрылымдық тұрақтылық. Коллоидты ерітінділер тұрақтылығын сипаттауда жоғарыда атап өткеніміздей, ерітілген зат бөлшектерінің ірілі - ұсақтығы, яғни дисперстілігі, басты көрсеткіш болып табылады.

Ерітінді бойындағы бөлшектердің өзара соқтығысу барысында бірігіп, іріленіп дисперстілікті өзгертуі - коллоидты жүйенің агрегативтік тұрақтылығының кемігендігін айғақтайды. Коллоидты бөлшектер өзара бірігуі үшін мицелла құрамындағы "коллоидты бөлшек" немесе "гранула" потенциалы нольге теңелуі тиіс. Бұл потенциал - дзета потенциал немесе электрокинетикалық потенциал екендігі белгілі. Демек, коллоидты бөлшектерге агрегативті тұрақтылық беретін күш төркінінің бірі оның дзета потенциалының болуы. Аталған шама нольге теңелгенде, яғни изоэлектрлік жағдай кезінде бөлшектер бір-біріне мейлінше жақындап бірігеалады деп қабылданады. Алайда, кейде дзета потенциал нольге теңелгенімен, коллоидты жүйелер өз тұрақтылығын сақтап қалған жағдайлар жиі ұшырасады. Бұл құбылысты агрегат пен ядроға тартылған иондардың сольваттану қабатын түзумен байланыстырады.

Коллоидты бөлшек бойындағы қос иондық қабаттың сығылуы- оның сольваттану дәрежесінің кемуіне әкеліп соқтырады. Сольваттанған иондар шамасының кемуі сольваттану қабатын да жұқартады.

Ал, сольваттану қабаты, коллоидты ерітінділер тұрақтылығын анықтауда басты көрсеткіштерінің бірі болып саналатынын мына шамалардан аңғартуға болады.

Тұрақтылығы жоғары зольдерде сольваттық қабат қалыңдығы –10^-8 м және одан жоғары. Дзета потенциалы нольге тең коллоидты бөлшектерде сольваттық қабат қалыңдығы ~ 10^{-10 м ғана және бұл жүйелер ылғи да тұрақсыз болып келеді.}

Сонымен, коллоидты жүйелерге құрылымдық немесе агрегативті тұрақтылыққа негіз болатын күштер қатарына олардың дзета потенциалы және сольваттың қабатының болуы жатқызылады.

Коллоидты ерітінді бөлшектерінің құрылымын өзгертіп, өзара бірігіп,іріленуі нәтижесінде тұнбага көшуі — олардың коагуляциясы – ұюы деп аталады.

Ерітілген бөлшектер сұйық кұйінде болып, олар сұйық бойында бірігі,іріленсе - коалесценция деп аталынады.

Мысалы, қаймақтан май алу немесе сүттің іріуі сияқты өзгерістер.

Коллоидты ерітінділерді ұйыту үшін жүйеге сырттан күшпен әсер етеді, қыздырады немесе тоңазытады, электролит ерітіндісін қосады.

Өзін-өзі тексеруге арналаған сұрақтар:

1. Электрокинетикалық құбылыс қандай теңдеумен анықталады?

2. Коллоидты жүйелерге құрылымдық немесе агрегативті тұрақтылыққа негіз болатын күштер қандай?

3. Дзета потенциал қандай формуламен анықталады?

2 МИКРОМОДУЛЬ «Беттік құбылыстар. Дисперсті жүйелердің тұрақтылығы»

Дата добавления: 2015-07-15