Потенциалы течения и седиментации

Возникновение потенциалов течения обнаружено при движении воды через разнообразные неподвижные дисперсные фазы – пористые тела, такие, как глина, песок и др. (рис. 27). При пропускании потока воды (под давлением) через пористую перегородку поток увлекает за собой ионы диффузного слоя. На концах капилляров дисперсной фазы возникает разность потенциалов, которая вызывает встречный поток ионов противоположного знака. Состояние равновесия достигается, когда скорость движения потока воды и скорость движения противоположно заряженных ионов станут равными. Разность потенциалов V в равновесном состоянии соответствует потенциалу течения. Потенциал течения – это скачок разности потенциалов на электродах, расположенных на концах капиллярно-пористой перегородки, возникающий при протекании через нее жидкости.

+

Рис. 27. Схема прибора для определения потенциала течения

 

Скачок потенциала седиментации наблюдается, когда заряженные частицы дисперсной (твердой) фазы осаждаются (рис. 28).

Рис. 28. Схема прибора, демонстрирующая возникновение потенциала седиментации

 

Гидратированные ионы диффузного слоя мицелл отделяются от осаждающихся заряженных частиц. Вследствие этого на электродах, расположенных на разной высоте, возникает разность потенциалов V. Потенциал седиментации – скачок разности потенциалов, возникающий на электродах, расположенных на разной высоте, если в сосуде происходит оседание частиц дисперсной фазы.

Потенциалы течения и седиментации могут возникать на концах трубопроводов, перекачивающих суспензии, топливо и т.д.

Заметим, что наша планета – гигантская «дисперсная система», в которой твердая поверхность Земли, имеющая отрицательный заряд, находится в окружающей воздушной среде. Облака действуют как электрические генераторы, в которых происходит непрерывное разделение зарядов на каплях воды, кристаллах льда, снежинках, частичках пыли в результате движения, трения. Источниками атмосферной электризации являются также пылевые бури, извержения вулканов, снежные метели, перемещения капелек воды в облаках, туманах, пене прибоев и водопадов. Это постоянные источники электризации атмосферы. Появление разности потенциалов между атмосферой и Землей приводит к возникновению искровых разрядов (молний), генерируемых облаками.

 

Краткий итог темы

1. На поверхности твердых частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде всегда образуется двойной электрический слой за счет избирательной адсорбции ионов из раствора или действия сил Ван-дер-Ваальса.

2. Двойной электрический слой состоит из потенциалоопределяющих ионов, находящихся на поверхности твердой частицы и эквивалентного количества противоионов, располагающихся в дисперсионной среде вблизи поверхности твердой частицы.

3. Заряженные частицы дисперсной фазы имеют одинаковый заряд и движутся независимо от диффузной (подвижной) части двойного электрического слоя.

4. Частица, с окружающим её диффузным слоем, представляет собой электронейтральную систему – мицеллу.

5. Для дисперсных систем характерны электрокинетические явления: электроосмос, электрофорез, потенциал течения и потенциал седиментации, проявление которых зависит от величины диффузного потенциала (дзета-потенциала).

 

Термины для запоминания

Граница скольжения лежит между адсорбционным и диффузным слоем или слегка удаляется от адсорбционного в диффузный слой.

Двойной электрический слой, окружающий ядро мицеллы, включает ионы адсорбционного и диффузного слоя.

Дзета-потенциал (z) – потенциал границы скольжения. Определяет скорость перемещения дисперсной фазы относительного дисперсионной среды.

Мицелла – частица дисперсной системы, состоящая из ядра и двойного электрического слоя

Потенциал протекания – скачок разности потенциалов, возникающий на электродах, расположенных на концах капиллярно-пористой перегородки, при протекании через нее жидкости.

Потенциал седиментации – скачок разности потенциалов, возникающий на электродах, расположенных на разной высоте в сосуде, в котором происходит оседание частиц дисперсной фазы.

Правило Панета-Фаянса: на поверхности твердой частицы избирательно адсорбируются только те ионы, которые способны достроить её кристаллическую решетку.

Электрокинетические явления – процессы движения дисперсной фазы и дисперсионной среды под воздействием внешнего электрического поля или возникновение электрической разности потенциалов при движении дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Электроосмос – движение дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы,вызванное внешним электрическим полем.

Электрофорез – движение частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды, вызванное внешним электрическим полем.

 

Вопросы для проверки знаний

1. Почему на поверхности твердых частиц дисперсной фазы возникает двойной электрический слой?

2. С каким свойством мицелл связаны электрокинетические явления?

3. В чем сходство и различие между электроосмосом и электрофорезом?

4. В чем сходство и различие между явлениями, вызывающими появление потенциалов течения и седиментации?

5. Какие процессы являются самопроизвольными (термодинамически разрешенными) среди перечисленных: электроосмос, электрофорез, потенциал течения, потенциал седиментации?

6. Препятствует ли двойной электрический слой слипанию частиц дисперсной фазы?

7. Какая причина может вызвать изменение знака заряда частиц дисперсной фазы?

 

Упражнения

1. Напишите формулу мицелл золя хлорида серебра, полученного в реакции: а) AgNO₃ c избытком NaCl; б) NaCl c избытком AgNO₃.

2. Напишите строение мицелл золя кварцевого песка в воде.

 

 

ТЕМА 4