Определение электрокинетического потенциала частиц торфа

  Электрокинетические явления играют большую роль в различных областях науки о дисперсных системах. Одной из их характеристик является электрокинетический потенциал (x - потенциал), являющийся составной частью термодинамического  потенциала  Нернста.  Он  служит  показателем  взаимодействия твердой частицы с жидкой средой.

Частицы дисперсной фазы при наличии среды с высокой диэлектрической проницаемостью всегда несут электрический заряд (положительный или отрицательный). Заряженными являются и частицы торфа. Их заряд обусловлен диссоциацией функциональных групп макромолекул, образующих частицы, и адсорбцией ионов определенного знака из дисперсионной среды.

  Наличие заряда у частиц можно обнаружить, помещая коллоидный раствор торфа в постоянное электрическое поле, где заряженные частицы перемещаются к одному из электродов. Знак заряда легко определить по тому, к какому из электродов частицы направляются.

  Основными электрокинетическими процессами в дисперсных системах являются: электроосмос, электрофорез, потенциал протекания и потенциал седиментации.

    Электроосмосом называется перемещение среды в дисперсных системах при наложении электрического поля.

  Электрофорезом называется перемещение частиц дисперсной фазы в постоянном электрическом поле.

  Эти два явления были открыты профессором Московского университета Ф.Ф. Рейсом в 1808 году.

  Потенциалом седиментации называется потенциал, возникающий в системе при оседании торфяных частиц. Это явление можно представить себе как обратное электрофорезу.

  Потенциалом протекания называется потенциал, возникающий при фильтрации через торф дисперсионной среды. Этот процесс является обратным электроосмосу.

  Частицы дисперсной фазы с размерами 10^-3 −10^-1 мкм, несущие на себе заряд, а также ионы противоположного знака, диффузно распределенные в среде, называются в коллоидной химии мицеллами. Компактные частицы торфа и других раздробленных материалов в пределах коллоидной степени дисперсности также следует называть мицеллами. Мицелла состоит из агрегата, ядра и частицы. Агрегат представляет совокупность молекул вещества, образующего дисперсную фазу.

  Если агрегат коллоидной мицеллы в большинстве случаев находится в кристаллическом состоянии, то агрегат частицы торфа состоит из рыхло расположенных макромолекул органической части. Торфяной агрегат является водопроницаемым. Внутрь этого агрегата (так же, как и из него) могут диффундировать ионы. Следовательно, агрегат можно представить как набор макромолекул, имеющих активные функциональные группы. При этом группы могут быть расположены и внутри агрегата.

  Электрокинетические явления возникают за счет диссоциации функциональных групп:

карбоксильных СООН «СОО^-+ Н⁺

гидроксильных       ОН «О^-+ Н⁺    

   Потенциалопределяющими ионами в данном случае являются отрицательно  заряженные  ионы   СОО^-  и  О^-, непосредственно  входящие в состав макро-

молекул органической части торфа или почвы.

  Противоионами являются ионы водорода Н⁺ и другие положительно заряженные ионы – катионы Кⁿ⁺.

  В связи с объемным, а не поверхностным расположением функциональных групп в агрегате электрокинетические явления в таких системах необходимо рассматривать с объемных позиций. Заряд же торфяной частицы определяется числом функциональных групп, находящихся на внешней сфере агрегата и внутри его.

Формула мицеллы торфа может быть записана:

{[mT]nA^- (n-x)K⁺}^-xК⁺                                                                            (1)

                                        ____

                                        агрегат

                                                           _________

                                                               ядро

                                                           ____________________,

                                                                     частица

где m – число макромолекул торфа Т; n – число анионов А^-; х – число катионов К⁺.

Таким образом, частица торфа является электроотрицательной.

Вследствие избирательной адсорбции ионов или диссоциации поверхностных молекул вещества на поверхности агрегата образуется потенциалобразующий слой ионов. Агрегат вместе с потенциалобразующим слоем ионов называется ядром мицеллы. Так как в целом мицелла электронейтральна, то помимо потенциалобразующих ионов в состав мицеллы должны входить и ионы противоположного знака, которые называются противоионами. Часть противоионов располагается непосредственно у поверхности раздела фаз ядра, а часть – на некотором расстоянии от нее. Слой противоионов называют еще диффузионным слоем ионов. Воображаемая сфера, разделяющая диффузионный слой ионов на I и II части (рис. 1), называется поверхностью скольжения.

 

Рис.1. Схема двойного электрического слоя по Штерну

и падение в нем потенциала

Слой, состоящий из потенциалобразующих ионов и непосредственно к ним прилегающих противоионов, называется двойнымэлектрическим слоем. Двойной электрический слой образуется по двум причинам: 1) за счет электростатического притяжения между разноименными ионами и 2) за счет теплового движения противоионов. Вследствие действия этих сил потенциалопределяющий слой ионов не полностью компенсируется противоионами. В результате возникает заряд частицы на воображаемой поверхности, который называется электрокинетическим потенциалом или x - потенциалом.

  В свое время было предложено несколько теорий строения двойного электрического слоя. По теории Гельмгольца − Перрена двойной электрический слой представляется как плоский конденсатор, а падение термодинамического потенциала ¡ _о  до нуля в этом слое рассматривается по прямой.

  Согласно теории Гуи − Чэпмена противоионы располагаются от поверхности ядра диффузионно вследствие влияния теплового движения. При увеличении числа противоионов в диффузном слое эквивалентно растет и их количество в двойном электрическом слое. Таким образом, происходит большая компенсация потенциалопределяющих ионов, а величина электрокинетического потенциала уменьшается.

  Наиболее современной и признанной является теория Штерна, которая построена на объединении теорий Гуи − Чэпмена и Гельмгольца − Перрена. Уменьшение потенциала от поверхности ядра в двойном электрическом слое (по Штерну) происходит по теории Гельмгольца − Перрена (I), а дальше – по закону Гуи – Чэпмена (II) (рис. 1).

  Если плоскость скольжения совпадает с внешней обкладкой двойного электрического слоя АВ, то величина электрокинетического потенциала будет равна x₁, если же нет, например А^¢В^¢, тогда дзета-потенциал будет равен x₂.­­­­­ 

  Электрокинетический, или x - потенциал - это скачок потенциала между той частью жидкости, которая непосредственно связана с поверхностью частицы, и всей остальной жидкостью. Чем больше толщина диффузного слоя, его диффузность, тем больше величины x - потенциала, заряд частиц и сил отталкивания между этими частицами. Поэтому электрокинетический потенциал может рассматриваться как мера устойчивости системы, мера сопротивляемости коагуляции. Состояние дисперсной системы, при котором электрокинетический потенциал частиц равен нулю (x=0), называется изоэлектрическим. В этом состоянии система наименее устойчива.

 

Методы определения электрокинетического потенциала

 

   Измерение величины электрокинетического x - потенциала имеет большое значение для решения вопроса об устойчивости дисперсных систем. x - потенциал можно измерить при наблюдении электрокинетических явлений, сущность которых заключается в возникновении электродвижущей силы в процессе относительного движения коллоидной системы или же передвижении ее фаз под влиянием электродвижущей силы, приложенной извне.

   При определении x - потенциала электрофоретическими методами (т.е. когда перемещаются частицы дисперсной системы) необходимо знать скорость перемещения частицы в электрическом поле разностью потенциалов U. Когда под влиянием эдс происходит перемещение дисперсионной среды относительно фазы, то возникающее электрокинетическое явление называется электроосмосом. Это явление также используется на практике для определения x - потенциала.

   Многими исследователями показано, что электроосмос позволяет сравнительно просто (с методической стороны) определить знак заряда и величину x - потенциала для различных капиллярных систем – пористых и волокнистых тел, порошков, мембран и т.п.

  Согласно Смолуховскому, такую систему следует рассматривать как сумму капилляров с общей площадью сечения S, тогда количество электро-осмотически протекающей жидкости в единицу времени через мембрану поперечного сечения выражается следующим образом:

                                       ,                                             (2)

откуда                             ,                                        (3)

где h - вязкость дисперсионной среды, пз; e - диэлектрическая постоянная ионной среды; S – поперечное сечение образца, см²; a - расстояние между электродами, см; U – напряжение постоянного электрического тока, В.

  При использовании уравнения (3) необходимо понимать, что если приложенная извне разность потенциалов выражена в вольтах, то

В/см =  эл.ст.ед./см

(так как 1 эл. ст. ед. = 300 В).

  Отсюда потенциал, выраженный в электростатических единицах, можно найти с помощью уравнения

.                                            (4)

  Однако x - потенциал принято выражать в вольтах. Для этого вычисленное по уравнению (4) значение потенциала надо умножить еще раз на 300. Тогда получим уравнение

, В                                       (5)

которое содержит значение приложенной разности потенциалов непосредственно в вольтах.

  Таким образом, для определения величины электрокинетического потенциала методом электроосмоса необходимо  при определенных силе тока J и напряжении U  измерить расход жидкости (объем V^').

  Электрокинетический потенциал для торфа равен 2-10 милливольт. По знаку электрокинетический потенциал торфа отрицателен. Это значит, что частицы торфа заряжены отрицательно, а среда (торфяная вода) – положительно. Для других дисперсных систем (глины, почвы, строительные материалы и др.) величина электрокинетического потенциала значительно больше, чем для торфа, и может доходить до 100 мВ. Низкое значение электрокинетического потенциала торфа связано с объемным расположением в агрегате ионогенных групп, электроотрицательность которых частично подавлена присутствующими в торфе ионами металлов или ионами водорода.

 

Экспериментальная часть

 

  Для изучения явлений электроосмоса обычно ставят опыт не с одним капилляром, а с порошком или пористой перегородкой, состоящей из очень большого количества капилляров разнообразной формы и размеров. Определение электрокинетического потенциала дисперсной системы (торфа) проводится с помощью специального прибора в виде кюветы из оргстекла (рис. 2).

  При включении постоянного тока жидкость начинает передвигаться к тому или иному полюсу. Зная к какому полюсу передвигается жидкость, можно определить, как она заряжена. Заряд частиц будет одинаковым со знаком полюса, к которому движется жидкость. Для определения величины x - потенциала измеряют напряжение вольтметром 11 и силу тока миллиамперметром 12. Напряжение и сила тока должны быть постоянны во все время опыта. Ток включают только после того как установится одинаковым положение уровня воды в кювете слева и справа от образца торфа.

Рис. 2. Схема прибора: 1 – уравнительная колба; 2 – воронка; 3 – анод;

4 – крышка; 5 – торф; 6 – катод; 7 – стенка кюветы; 8 – трубки;

9 – мерный цилиндр; 10 – универсальный источник питания;

 11 – вольтметр; 12 – амперметр

 

  Скорость передвижения жидкости зависит от ее природы и соприкасающейся с ней твердой фазы, а также от приложенной разности потенциалов. Как и при электрофорезе, состав раствора здесь имеет большое значение. Причиной электроосмоса является двойной электрический слой на границе между жидким раствором и твердым телом. При электроосмосе передвигается та обкладка двойного слоя, которая связана с остальной массой жидкости, т.е. диффузная часть двойного слоя.

   Электроосмос наблюдается в очень разбавленных растворах электролитов, так как в концентрированных растворах весь двойной слой недиффузный и расположен в слое жидкости, прилегающей к твердой фазе. Потенциал твердой фазы на границе скольжения равен 0. Особенно сильно на потенциал частиц влияют ионы высокой валентности.

  Скорость и направление электроосмотического переноса жидкости определяется величиной и знаком электрокинетического потенциала на границе движущая жидкость – смоченная твердая поверхность.

  Величина x - потенциала рассчитывается по формуле

, В,                       (6)

где h − вязкость дисперсионной среды (для воды при 20 ^оС h= 0,01005 пз);    e − диэлектрическая постоянная ионной среды, для воды e=81; S – поперечное сечение образца, см²; a − расстояние между электродами, см; U – напряжение постоянного электрического тока, В; Q – количество жидкости, перенесенное за время t, см³/с.

  Для перевода x - потенциала в милливольты необходимо вычисленную по уравнению (6) величину x - потенциала в вольтах умножить на 10³.

Результаты эксперимента заносятся в таблицу 1.

 

Таблица 1. Результаты определения   x−потенциала

 

Время, с	Количество перенесенной жидкости Q, см^3	Расход жидкости Q/t, см^3/с	Сила тока J, А	Напряжение U, В	Расстояние между электродами a, см	Величина x− потенциала, мВ

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Каковы причины возникновения заряда у коллоидных частиц?

2. Какие различают электрокинетические явления?

3. Какова формула торфяной мицеллы?

4. Что такое двойной электрический слой? Теория его строения.

5. Что такое электрокинетический потенциал дисперсных систем?

6. Методы определения x - потенциала.

7. Значение дзета-потенциала для торфа и почвы. Чем объясняется их различие?

Лабораторная работа № 6