Будова колоїдних міцел і електрокінетичний потенціал

Частинку дисперсної фази у гетерогенно-дисперсній системі разом з прилеглим подвійним електричним шаром називають міцелою. Міцела, як елемент колоїдної системи, складається з:

а) ядра, яке є агрегатом дисперсної фази певного розміру (10^-9 – 10^{-7 м), нерозчинним в даному дисперсійному середовищі;}

б) шару адсорбованих на його поверхні потенціалвизначаючих іонів;

в) еквівалентної кількості протилежно заряджених протиіонів, що розташовані в дисперсійному середовищі на певній відстані від ядра.

Поверхня ядра є адсорбційно активною і адсорбує іони електроліту, які знаходяться в дисперсійному середовищі та є однаковими або ізоморфними (подібними за будовою) з іонами, що входять до складу ядра (правило Панета‑Фаянса), тобто здатними добудовувати кристалічну решітку ядра міцели.

Іони, адсорбовані безпосередньо на ядрі міцели, мають назву потенціалвизначаючих, бо вони визначають знак і величину термодинамічного потенціалу поверхні. З розчину до зарядженої поверхні притягуються в еквівалентній кількості іони протилежного знаку – протиіони, внаслідок чого утворюється подвійний електричний шар (ПЕШ), і міцела стає електронейтральною (див. рис. 4.1.).

Згідно з сучасними уявленнями ПЕШ складається з адсорбційного і дифузійного шарів. Адсорбційний шар містить потенціалвизначаючі іони та частину протиіонів, які розташовані на відстані молекулярного радіуса від зарядженої поверхні. Решта протиіонів, що рухаються в дисперсійному середовищі, утворюють дифузійний шар. Ядро з адсорбційним шаром та частина дифузійного шару, яка відносно міцно пов’язана з ядром та рухається разом з ним, складають колоїдну частинку, або гранулу. Колоїдна частинка відділена від решти дисперсійного середовища границею ковзання – уявною межею, що відокремлює нерухому відносно ядра частину простору від рухомої.

Адсорбційний шар є досить щільним, товщина його є відносно сталою і мало змінюється при зміні зовнішніх умов (концентрації електроліту, температури). Проте товщина дифузійного шару протиіонів істотно залежить від концентрації електроліту в дисперсійному середовищі та від температури.

Колоїдні розчини утворюються шляхом диспергування або внаслідок процесів конденсації: фізичної (утворення пересичених розчинів) та хімічної (реакцій іонного обміну, гідролізу та окисно-відновних).

Якщо внаслідок хімічної реакції утворюється малорозчинна сполука, то за певних умов вона може бути отримана у вигляді колоїдного розчину. Для приготування колоїдного розчину шляхом хімічної конденсації необхідно проводити реакцію при низьких концентраціях реагентів для утворення малих часток (10^-9 – 10^{-7 м}), використовуючи при цьому значний надлишок одного з реагентів, щоб на поверхні кристалу (ядра) міг утворитися подвійний електричний шар – основний чинник агрегативної стійкості.

Міцели колоїдних розчинів прийнято записувати у вигляді специфічної формули. Починають запис з утвореного ядра міцели, далі записують потенціалвизначаючі іони (ПВІ), після них пишуть протиіони. Особливістю запису є те, що в ньому зображують структуру утвореної міцели, розподіляючи протиіони між адсорбційним та дифузійним шарами, що дає можливість показати заряджену частинку міцели (гранулу), відокремлюючи її фігурними дужками. Як приклад, розглянемо утворення міцел колоїдного розчину хлориду срібла за реакцією AgNO₃ + KCl = AgCl¯ + KNO₃ при надлишку KCl та їхню будову.

Рис. 4.1. Формула міцели AgCl та схема її будови

З рис. 4.1 видно, що колоїдна частинка має заряд, але міцела в цілому є електронейтральною.

Колоїдний розчин берлінської блакиті отримують за допомогою наступної реакції:

4 FeCl₃ + 3 K₄[Fe(CN)₆] = Fe₄[Fe(CN)₆]₃¯ + 12 KCl.

Якщо у надлишку взято гексаціаноферат калію, то формула міцели має бути написана у вигляді .

Області ПЕШ властива висока напруженість електричного поля, інтенсивність якого характеризується потенціалом. На рис. 4.2 на прикладі міцели хлориду срібла зображено залежність потенціалу ПЕШ від відстані від поверхні ядра. Потенціал на поверхні ядра називається термодинамічним потенціалом. Він характеризує стрибок потенціалу на границі поділу фаз і визначається кількістю адсорбованих потенціалвизначаючих іонів.

Рис. 4.2.  Будова подвійного електричного шару і залежність його потенціалу від відстані від поверхні ядра міцели

Потенціал на поверхні ковзання, яка відділяє нерухомий шар дисперсійного середовища від його рухливої частини, називається електрокінетичним потенціалом, або x –потенціалом (читають “Дзета-потенціал”). Електрокінетичний потенціал є визначальною характеристикою ПЕШ. Вимірюється x у вольтах (В).

Величина електрокінетичного потенціалу залежить від природи електролітів та їхньої концентрації, температури та в’язкості дисперсійного середовища, а в певних випадках і від його рН.

Колоїдним системам притаманні явища, які названі електро-кінетичними: електрофорез, електроосмос, потенціал течії і потенціал седиментації. Інтенсивність електрокінетичних явищ визначається величиною електрокінетичного потенціалу, тому його значення можна визначити, вимірявши, наприклад, швидкість електрофорезу.

Розрахувати x –потенціал можна за рівнянням (4.11):

,

(4.11)

де h – в’язкість дисперсійного середовища, Па∙с; e ₀ – електрична константа, Ф/м; e – відносна діелектрична проникність середовища;  – лінійна швидкість руху часток, м/с (s – відстань, на яку переміщуються частинки дисперсної фази під дією електричного поля за час t);  – градієнт потенціалу зовнішнього електричного поля, В/м (Е – напруга на електродах, l – відстань між електродами по ходу руху заряджених частинок). Рівняння (4.11) є справедливим для неелектропровідних часток будь-якої форми і розміру за умови, що товщина ПЕШ є значно меншою за розмір колоїдної частки.