Влияние природы дисперсионной среды

Дисперсионная среда обычно характеризуется двумя величинами: диэлектрической проницаемостью e и вязкостью m.

z-потенциал частиц золя тем больше, чем больше e (полярность растворителя).

Чем больше вязкость, тем толще слой дисперсионной среды, который прилипает к частице при разрыве мицеллы и, следовательно, тем меньше численное значение z-потенциала.

 

Электрокинетические явления

Электрокинетические явления – это явления, которые возникают при воздействии электрического поля на дисперсную систему (электрофорез, электроосмос), а также в результате перемещения частиц дисперсной фазы или дисперсионной среды (потенциал протекания, потенциал оседания).

Несмотря на различие электрокинетических явлений, все они связаны с наличием ДЭС на частицах дисперсной фазы. Интенсивность всех электрокинетических явлений определяется значением z-потенциала.

Электрофорез

Электрофорез – направленное движение частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля.

При наложении внешнего электрического поля происходит разрыв мицеллы: частицы дисперсной фазы вместе с адсорбированными на них потенциалопределяющими ионами и противоионами адсорбционного слоя перемещаются к электроду, знак которого противоположен знаку заряда коллоидной частицы (z-потенциалу), а противоионы диффузионного слоя – к другому электроду. Например, если дисперсная фаза заряжена отрицательно, коллоидные частицы движутся к аноду (положительному электроду), а положительно заряженные противоионы диффузного слоя – к катоду (рис. 32).

Если дисперсная фаза заряжена положительно, направление движения частиц меняется на противоположное.

Рис 32. Схема движения коллоидной частицы и противоионов при электрофорезе: 1 – потенциалопределяющие ионы, 2 – противоионы адсорбционного слоя, 3 – противоионы диффузионного слоя

Скорость движения, или электрофоретическая скорость, зависит от величины электрокинетического потенциала z, напряженности электрического поля E/L и свойств сплошной среды – динамической вязкости μ и диэлектрической проницаемости e:

,

где u – электрофоретическая скорость; z – электрокинетический потенциал; e – диэлектрическая проницаемость среды; e₀ – электрическая постоянная, e₀ = 8,85×10^-12 Кл/(В×м); Е – разность потенциалов внешнего электрического поля; L – расстояние между электродами; E/L=H – напряженность, или градиент, внешнего электрического поля; m – динамическая вязкость сплошной среды; y – фактор формы.

Коэффициент y учитывает форму частиц и их ориентацию в электрическом поле. Для шарообразных частиц коэффициент y равен 0,66, а для цилиндрических, ориентированных вдоль силовых линий электрического поля – 1.

Скорость движения в расчете на единицу напряженности электрического поля Н называется электрофоретической подвижностью

.

Электрофоретическая подвижность зависит только от свойств дисперсной фазы и дисперсионной среды.

На подвижность коллоидной частицы оказывают влияние электрофоретический и релаксационный эффекты.

Электрофоретический эффект (эффект торможения): под действием внешнего электрического поля противоионы передвигаются в направлении, противоположном движению частицы. За счет гидратации противоионы увлекают за собой и окружающую их жидкость (дисперсионную среду). Это приводит к тому, что частица перемещаются в направлении, противоположном движению жидкости, скорость ее уменьшается.

Релаксационный эффект вызывается нарушением симметрии ДЭС вокруг частицы при ее движении. ДЭС деформируется и отстает от частицы. В результате возникает добавочное электрическое поле, которое действует на частицу, стремясь двигать ее в обратном направлении, и тем самым влияет на скорость электрофореза.

Для учета влияния этих факторов в уравнение для расчета электрофоретической скорости и вводится коэффициент y.

Применение электрофореза.

1. Метод электрофореза широко используется для определения z-потенциала. Для этого измеряют электрофоретическую скорость при известной напряженности электрического поля.

Наиболее простой метод – метод подвижной границы, в котором скорость движения частиц при электрофорезе оценивают по перемещению границы между прозрачной контактной жидкостью и окрашенным золем (рис. 33). При этом полагают, что все частицы движутся с одинаковой скоростью. Контактная жидкость представляет собой дисперсионную среду данного золя.

Рис. 33. Определение z-потенциала методом электрофореза: 1 – золь, 2 – контактная жидкость

Электрофоретическую скорость определяют как отношение величины смещения границы раздела золь-контактная жидкость S ко времени пропускания тока t

.

Зная скорость перемещения частиц и свойства дисперсионной среды (m и e), рассчитывают z-потенциал.

2. Разделение белков и других высокомолекулярных соединений, биологически активных веществ на фракции.

3. Нанесение ровных, тонких, прочных покрытий на металлические поверхности любой формы.

4. В медицине – для разделения и анализа белков, введения лекарственных препаратов. На кожу пациента накладывают тампон, смоченный раствором лекарственного препарата, а сверху помещают электроды, к которым приложен низкий потенциал. В ходе этой процедуры частички лекарственного препарата под действием электрического поля переходят в ткани организма человека.

Потенциал седиментации

Потенциал седиментации – возникновение разности потенциалов при движении (седиментации) частиц в неподвижной жидкости.

Рассмотрим коллоидную систему, находящуюся в емкости (например, отстойник) (рис. 34).

Под действием силы тяжести частицы дисперсной фазы оседают. Процесс оседания частиц называют седиментацией.

При оседании частиц дисперсионная среда практически остается неподвижной. Частицы движутся совместно с потенциалопределяющими ионами и адсорбционным слоем противоионов. Их перемещение относительно жидкой дисперсионной среды происходит по границе скольжения. Это приводит к тому, что диффузионная часть ДЭС отстает от частицы, поэтому в сплошной среде концентрируются противоионы. Чем выше уровень, тем концентрация противоионов выше.

Между верхом и низом возникает разность потенциалов, которую и называют потенциалом оседания (седиментации).

Потенциал седиментации обратен электрофорезу. И в том и в другом случае происходит движение частиц. Но при электрофорезе перемещение происходит в результате взаимодействия электрического поля с избыточным зарядом частиц, а при потенциале седиментации – в процессе оседания частиц возникает разность потенциалов.

Электроосмос

Электроосмос – движение дисперсионной среды через неподвижную капиллярно-пористую перегородку под действием внешнего электрического поля.

Электроосмос обычно происходит в капиллярах и каналах пористых тел. Пусть в центр U-образной трубки помещена мембрана, представляющая собой мелкопористый стеклянный фильтр (рис. 35). Трубка заполнена электропроводящей жидкостью (водой). Рассмотрим сечение одного капилляра (рис. 36). Возникновение заряда на стенках капилляров стеклянного фильтра происходит за счет диссоциации молекул поверхностного слоя:

.

Ионы Са²⁺ переходят в раствор, а SiO₃^2– связаны с кристаллической решеткой стекла и создают на поверхности капилляра отрицательный заряд, т.е. являются потенциалопределяющими ионами. Возле стенок капилляра формируется ДЭС. Пленка жидкости вместе с противоионами адсорбционного

слоя «прилипает» к стенке капилляра и остается неподвижной. А противоионы диффузной части ДЭС под действием внешнего электрического поля перемещаются к катоду. Противоионы гидратированы, следовательно, вместе с ними к отрицательному электроду двигается и дисперсионная среда (вода). Таким образом, перемещение дисперсионной среды относительно стенок капилляров происходит по плоскости скольжения. В результате в левой части трубки уровень жидкости понижается, а в правой – повышается. Процесс прекратится, когда гидростатическое давление достигнет величины, достаточной для того, чтобы воспрепятствовать движению противоионов.

Применение электроосмоса.

Метод электроосмоса, как и электрофореза широко используется для определения z-потенциала.

Электроосмос применяют при обезвоживании древесины и пористых материалов: продуктов питания, сырья для пищевой промышленности (сахарных сиропов, желатина) и т.д. Влажную массу помещают между электродами и вода в зависимости от заряда противоионов ДЭС движется к одному из них и собирается в специальной емкости.

Потенциал течения

Потенциал течения (протекания) – это явление возникновения разности потенциалов при перемещении дисперсионной среды через капиллярно-пористую перегородку.

Как и в других электрокинетических явлениях, в этом случае перемещение жидкой дисперсионной среды относительно дисперсной фазы происходит по плоскости скольжения. При движении жидкости под действием внешнего источника, например, насоса за нею увлекаются противоионы диффузного слоя. В результате концентрация противоионов перед пористой перегородкой и после нее будет сильно различаться. Если по обеим сторонам пористой перегородки поместить электроды, то включенный в цепь вольтметр покажет разность потенциалов, которую называют потенциалом течения.

Потенциал течения обратен электроосмосу: в обоих случаях происходит движение дисперсионной среды, однако в случае электроосмоса она перемещается под действием электрического поля, а в случае потенциала течения – в результате внешнего воздействия.

Потенциал течения возникает при перекачке по трубопроводам технологических растворов, жидкого топлива, и так же как потенциал седиментации может являться причиной пожаров и взрывов. Возле стенок трубопровода формируется ДЭС, диффузная часть которого уносится вместе с перекачиваемой жидкостью. В результате концентрация противоионов в начале трубопровода снижается, а в конце увеличивается; возникает потенциал течения. Протяженность трубопроводов велика, поэтому значение потенциала может быть достаточно высоким.

Потенциал течения тем выше, чем больше вязкость жидкости и расстояние между электродами и чем меньше электрическая проводимость перекачиваемой жидкости. Например, при перекачке нефти, которая имеет низкую электропроводность и высокую вязкость, потенциал течения может достигать сотен вольт. Поэтому для предотвращения возгорания нефти необходимо принимать меры для предотвращения возникновения потенциала течения.

Раздел IV. устойчивость и нарушение устойчивости

Лиофобных золей

Дисперсные системы характеризуются значительным избытком свободной нескомпенсированной поверхностной энергии

G _пов = s S,

связанным как с большой удельной поверхностью S, обусловленной наличием раздробленной дисперсной фазы, так и со сравнительно высокими значениями межфазового поверхностного натяжения. Этот избыток определяет принципиальную неустойчивость лиофобных дисперсных систем. В результате в них протекают процессы, ведущие к снижению дисперсности (укрупнению частиц дисперсной фазы) и, в конечном итоге, к разрушению дисперсных систем, т.е. разделению на две макрофазы. Поэтому речь может идти только об относительной термодинамической устойчивости дисперсных систем.

Устойчивость – это способность дисперсных систем сохранять свой состав неизменным, когда концентрация дисперсной фазы и распределение частиц по размерам остаются постоянными во времени.

Проблема устойчивости — одна из центральных проблем коллоидной химии, это проблема «жизни и смерти» дисперсных систем. На практике, часто приходится решать две противоположные задачи: сохранить дисперсную систему или разрушить ее. Например, устойчивыми должны быть пищевые массы. Вода природных водоемов представляет собой дисперсную систему, которую для использования необходимо очистить – перевести в осадок все примеси, то есть разрушить.

Различают два вида устойчивости: седиментационную и агрегативную.