 |
Электроповерхностные свойства дисперсных систем
|
|
|
|
Электрокинетические явления, наблюдаемые в дисперсных системах, представляют собой относительное смещение фаз под влиянием внешнего электрического поля (электроосмос, электрофорез), либо возникновение разности потенциалов при относительном движении фаз, вызываемом гидродинамическими силами (потенциал течения, потенциал седиментации). Электроосмос - это движение жидкости (дисперсионной среды) относительно неподвижной дисперсной фазы (капиллярно-пористых материалов, диафрагм) под действием внешнего электрического поля. Из условия стационарного режима электроосмотического движения жидкости в плоском капилляре получено уравнение Гельмгольца - Смолуховского, связывающее скорость течения жидкости и x-потенциал:
(5.1)
где h - вязкость жидкости; u – линейная скорость течения; x - электрокинетический потенциал; e - диэлектрическая проницаемость; E – напряженность внешнего электрического поля; e о - электрическая постоянная, равная 8,85 .10-12 ф/м.
Скорость движения дисперсионной среды, отнесенная к единице напряженности электрического поля, называется электроосмотической подвижностью. U эо = U / E
Для практического применения более удобна формула, в которую входят величины, измеряемые непосредственно в опыте. Ее можно получить, если выразить линейную скорость u через объемную v, а Е - через силу тока:
(5.2)
(5.3)
В уравнениях (5.2) и (5.3) r – удельное сопротивление; U – внешняя разность потенциалов; I - сила тока; R – электрическое сопротивление; L – расстояние между электродами; c - удельная электрическая проводимость.
Подставив (5.2) и (5.3) в (5.1) получим расчетную формулу:
(5.4)
Добавочная удельная электрическая проводимость жидкости в капиллярной системе по сравнению с жидкостью вне её называется поверхностной проводимостью cs. При расчете величины x с учетом поверхностной проводимости в уравнение (5.4) вводится коэффициент активности диафрагмы a:
|
|
|
(5.5)
где
(5.6)
Электрофорезом называется движение частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля. Значение электрокинетического потенциала, возникающего при электрофорезе, можно рассчитать по уравнению (5.1). При течении жидкости через пористую диафрагму под влиянием приложенного давления по длине диафрагмы возникает разность потенциалов, называемая потенциалом течения. Потенциал течения выражается следующим уравнением:
(5.7)
где Р - давление, вызывавшее течение жидкости.
При оседании дисперсных частиц в гравитационном поле двойные электрические слои, окружающие частицу, деформируются за счет трения о слой жидкости. В результате этого диффузные ионы отстают от движущихся частиц и по высоте оседания возникает разность потенциалов, называемая потенциалом седиментации U сед.
Связь между потенциалом седиментации и электрокинетическим потенциалом можно установить из уравнения (5.7), заменив давление Р силой тяжести F g, вызывающей седиментацию частиц.
(5.8)
где φ - объемная доля дисперсной фазы; ρ и ρо - плотности дисперсной фазы и дисперсионной среды; g - ускорение свободного падения.
(5.9)
Электрокинетические явления широко используются в науке и технике. Наибольшее их практическое применение связано с нанесением покрытий на различные поверхности электрофоретическим методом. Данный метод позволяет получать равномерные покрытия на деталях сложной конфигурации благодаря его высокой кроющей способности.
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
1. Вычислите величину x -потенциала на границе кварцевое стекло - водный раствор КСl. Процесс электроосмоса характеризовался следующими данными: сила тока равна 4·10-4 А; время переноса 10-8 м3 раствора КС1 равно 12,4 с; удельная электропроводность среды 1,8·10-2 Ом-1 м-1; вязкость среды равна 1·10-3 Н·с/м2; диэлектрическая проницаемость среды 81.
|
|
|
РЕШЕНИЕ Связь x -потенциала с электроосмотической объемной скоростью v м3/с выражается уравнением (5.4):
м3/с,
В
2. Под каким давлением должен продавливаться раствор КС1 через керамическую мембрану, чтобы потенциал течения был равен 4 .10-3 В? x -потенциал без учета поверхностной проводимости равен 3 . 10-2 В, электропроводность – 1,3 . 10-2 Ом-1 м-1, диэлектрическая проницаемость среды 81, вязкость среды 1 . 10-3 Н . с/м2.
РЕШЕНИЕ Из формулы (5.7) без учета поверхностной проводимости
следовательно
Н/м2.
3. Найдите величину x -потенциала для суспензии кварца в воде. При электрофорезе смещение границы составило 5 . 10-2 м за 30 мин; градиент напряжения внешнего поля равен 103 В/м; диэлектрическая проницаемость среды 81; вязкость среды 1 . 10-3 Н . с/м2.
РЕШЕНИЕ Расчет дзета-потенциала по скорости электрофореза ведется по формуле (5.1):
Рассчитываем скорость электрофореза
м/с,
В
4. Рассчитайте x -потенциал диафрагмы из частиц глины в растворе хлорида натрия с учетом поверхностной проводимости по следующим данным: c = 2,5.10-2 Ом-1.м-1; n = 1,2 . 10-8 м3/c; æs = 1,65. 10-2 Ом-1. м-1; h = 1 . 10-3 Па . с; I = 1,2 .10-2 А; e = 81.
РЕШЕНИЕ По формуле (5.6) рассчитывают коэффициент эффективности диафрагмы:
Затем по формуле (5.5) рассчитывают ξ-потенциал с учетом поверхностной проводимости:
5. Напишите формулу мицеллы золя Sb2S3, cтабилизированного SbCl3 и изобразите графически зависимость x = ¦(с) при введении электролитов: NaI, NaCl, K4[Fe(CN)6, KBr.
РЕШЕНИЕ Формула мицеллы золя:
{mSb2S3nSb3+3(n-x)Cl-}3xCl-. 
Рис. 6. Влияние электролитов на величину ζ-потенциала ионностабилизированного золя.
Перечисленные электролиты являются индифферентными по отношению к данному золю.
|
|
|
