Експериментальне визначення електрокінетичного потенціалу

 

Електрокінетичні явища виникають в результаті розриву подвійного електричного шару по межі ковзання при русі частинок відносно дисперсного середовища - електрофорез і потенціал осідання, або при русі середовища відносно дисперсної фази - електроосмос, потенціал течії.

Розглянемо переміщення рідини відносно пористого тіла під дією електричного поля. Якщо підключити напругу до електродів, що розташовані в U- подібній трубці в якій знаходиться дисперсна система з нерухомою дисперсною фазою, то протиіони дифузійного шару, що енергетично слабо зв’язані з поверхнею твердого тіла, почнуть рухатися до протилежно зарядженого електроду. В процесі руху, завдяки молекулярному тертю, протиіони будуть тягнути за собою дисперсійне середовище, в наслідок чого рідина в одному коліні трубки підніметься, а іншому опуститься.

 

Рис. 47. Схема електроосмосу.

 

Якщо вважати, що подвійний електричний шар являє собою плоский конденсатор, тоді сила яка діє на заряджену частинку в електричному полі дорівнює:

F_ел = q∙E = (ee_ozS)Е/l (5.39)

q – заряд частинки;

E – напруженість електричного поля.

Сила тертя дорівнює:

F_тер = h∙S∙U_o/l (5.40)

h - в’язкість дисперсійного середовища;

l – відстань між електродами.

U_o - швидкість руху рідини відносно твердої фази.

При встановленні рівноваги:

F_ел = F_тер

(Eee_ozS)/l = (h∙S∙U_o)/l (5.41)

Eee_oz = h∙U_o (5.42)

(5.43)

Рівняння (5.44) має назву рівняння Гельмгольца – Смолуховського, це рівняння часто використовують для розрахунку електрокінетичного потенціалу.

(5.44)

Одержане рівняння може бути використане для розрахунку z – потенціалу при електрофоретичних вимірюваннях.

Для розрахунку z – потенціалу за значенням потенціалу течії використовують рівняння:

(5.45)

U – потенціал течії;

c - питома електропровідність рідини;

Dр – різниця тисків.

 

Приклад 5.4

Розрахуйте швидкість електрофорезу частинок кварцу в воді за такими даними: електрокінетичний потенціал 25 мВ, напруженість електричного поля 360 В/м; відносна діелектрична проникність середовища 81; в’язкість 0,001 Па∙с.

Швидкість електрофорезу дорівнює:

U_o = ζεε_oE/η = 0,025∙81∙8,85∙10^-12∙360 / 0,001 =6,45∙10^-6 м/с.

Приклад 5.5

Стіни старовинних будинків у Львові руйнуються через вологу. Їх можна сушити методом електроосмосу. Який час потрібно для осушення стінки товщиною 1,5м при пропусканні струму 6А? Електроди у вигляді масивних металічних пластин розміром 0,5∙5 м притиснуті до обох сторін стінки. В’язкість дисперсійного середовища (води) 0,001 Па∙с; діелектрична проникність середовища 81; питома електропровідність 0,01 Ом^-1м^-1; електрокінетичний потенціал на межі поділу частинки стіни – вода 60 mV.

Об’єм дисперсійного середовища V = 1,5∙0,5∙5 = 3,75 м³;

ζ = c η U / ε ε₀ I; U = V/t; t = V c η / ζ ε ε₀ I;

t = 3,75∙0,001∙0,01 / 0,06∙81∙8,85∙10^-12∙6 с = 145312 с = 40,3 год.

Приклад 5.6

Визначити електрокінетичний потенціал на межі поділу фаз керамічний фільтр – водний розчин KCl, якщо при протіканні розчину під тиском 2∙10⁴ Па потенціал течії дорівнює 6,5∙10^-3 В, c = 1,3 10^-2 Ом^-1м^-1, η = 0,001 Па∙с, ε = 80,1.

ζ = c η U_теч/ε ε₀Dр = = (1,3∙10^-2 0,001∙6,5∙10^-3) / (80,1∙8,85∙10^-12 2∙10⁴) = 5,96∙10^-3В

Контрольні питання.

 

1. Якими причинами викликано виникнення подвійного електричного шару (ПЕШ) на міжфазній поверхні? Які механізми виникнення ПЕШ Вам відомі?

2. Наведіть приклади утворення ПЕШ за рахунок переходу іонів з однієї фази в іншу.

3. Наведіть рівняння, яке описує залежність міжфазного електричного потенціалу від поверхневого натягу. Як впливає адсорбція потенціалвизначальних іонів на поверхневий натяг при утворенні ПЕШ?

4. Які кількісні характеристики ПЕШ можна визначити за допомогою електрокапілярних кривих; наведіть відповідні формули і графіки.

5. Проаналізуйте і поясніть відмінності між експериментальною та теоретичною (розрахованою) електрокапілярними кривими.

6. Поясніть вплив іоногенних та неіоногенних ПАР на електрокапілярну криву.

7. На яких загальних положеннях базуються всі теорії будови ПЕШ?

8. Які сили приймають участь в утворенні ПЕШ згідно з теорєю Гельмгольца-Перрена? Чому дорівнює товщина ПЕШ?

9. Опишіть будову ПЕШ згідно з теорєю Гельмгольца-Перрена? Схематично зобразіть розподіл зарядів відносно поверхні. Як змінюється потенціал всередині ПЕШ та Проаналізуйте недоліки цієї теорії.

10. Які сили приймають участь в формуванні ПЕШ згідно з теорєю Гуї - Чепмена? Проаналізуйте недоліки цієї теорії.

11. Зобразіть розподіл потенціалвизначальних іонів та протиіонів іонів відносно поверхні по товщині ПЕШ згідно з теорєю Гуї - Чепмена та покажіть, що приймається за товщину ПЕШ.

12. Що називається електрокінетичним потенціалом і які фактори впливають на його знак та величину?

13. Наведіть формулу і проаналізуйте залежність товщини дифузійного шару ПЕШ від параметрів системи (зовнішніх умов).

14. Опишіть будову ПЕШ згідно з теорєю Штерна та схематично зобразіть розподіл іонів відносно поверхні. Які сили взаємодії при формуванні ПЕШ враховує теорія Штерна?

15. Вкажіть схематично розміщення площини ковзання в ПЕШ, на поверхні якої, згідно із теорією Штерна, виникає електрокінетичний потенціал.

16. Зобразіть порівняльні криві зміни потенціалу від відстані в ПЕШ згідно із теоріями Гельмгольца, Гуї - Чепмена та Штерна.

17. Що таке адсорбційний шар в ПЕШ? Які сили в ньому діють? Які іони називають потенціалвизначальними та протиіонами?

18. Що таке дифузійний шар в ПЕШ? Під дією яких сил він формується?

19. У якому порядку треба додавати розчини AgNO₃ i KI, щоб одержати колоїдні системи з частинками, що несуть а) позитивний; б) негативний заряд?

20. Чим відрізняються потенціал поверхні і електрокінетичний потенціал? Як вони залежать від концентрації індиферентних електролітів у розчині?

21. Яка особливість адсорбції багатовалентних іонів в ПЕШ згідно теорії Штерна? Що таке перезарядка поверхні? Поясніть це на малюнку.

22. Як впливає додавання електроліту з індиферентними іонами на стан подвійного електричного шару частинки?

23. Як впливає додавання електроліту з родинними іонами на стан подвійного електричного шару частинки?

24. Які явища називають електрокінетичними? Назвіть їх та поясніть сутність процесів, що протікають.

25. У чому полягає сутність електрофорезу? Де він використовується? Як за швидкістю електрофорезу визначити електрокінетичний потенціал?

26. Від яких факторів залежить швидкість руху частинок при електрофорезі? За яких умов можна застосовувати рівняння Гельмгольца - Смолуховського? Якими властивостями має володіти контактна рідина при дослідженні електрофорезу?

27. У чому полягає явище електроосмосу? Як за об'ємною швидкістю електроосмосу визначити z - потенціал?

28. У чому полягає явище потенціалу течії, та потенціалу седиментації? Як за різницею тисків при течії дисперсійного середовища через пористе тіло можна розрахувати z - потенціал?

29. Що таке релаксаційний ефект, електрофоретичне гальмування та поверхнева провідність? В яких випадках їх необхідно враховувати при визначенні z - електрокінетичного потенціалу?