Електрофоретичне визначення електрокінетичного потенціалу

 

Мета роботи – навчитися визначати електрокінетичний ζ–потенциал методом електрофорезу.

Теоретичні відомості

 

На властивості колоїдних розчинів суттєво впливають потенціали, які класифікуються на міжфазний φ-потенціал та електрокінетичний ζ–потенціал. Міжфазний φ-потенціал змінюється в межах від поверхні ядра міцели до границі міцели з дисперсійним середовищем, електрокінетичний ζ–потенціалу змінюється від границі ковзання дифузного шару ПЕШ та до границі міцели і дисперсійного середовища. Величина електрокінетичного потенціалу ПЕШ змінюється з концентрацією золю. За високих концентрацій золю спостерігається зменшення ζ–потенціалу внаслідок стиснення дифузного шару ПЕШ за рахунок збільшення концентрації протиіонів у розчині, але φ–потенціал при цьому залишається сталим. При незначних розведеннях колоїдних розчинів спостерігається збільшення товщини дифузного шару внаслідок зменшення концентрації протиіонів у системі, що призводить до автоматичного зростання ζ–потенціалу при незмінному φ–потенціалі. Температура також впливає на потенціали ПЕШ. Незначні підвищення температури призводять до зростання електрокінетичного потенціалу системи. Це можна пояснити тим, що з підвищенням температури збільшується кінетична енергія протиіонів. Долаючи електростатичні та ван-дер-ваальсові сили притягання, частина протиіонів адсорбційного шару переходить у дифузний шар, що збільшує його товщину. Отже, автоматично збільшується і ζ–потенціал при незмінному φ–потенціалі. За подальшого підвищення температури починається десорбція потенціалвизначаючих іонів з твердої поверхні, що знижує φ–потенціал і, як наслідок, зменшує ζ–потенціал. Стійкість золю знижується.

Електрокінетичний потенціал залежить також і від природи дисперсійного середовища. Він буде тим вищим, чим більша полярність дисперсійного середовища, яке характеризується діелектричною проникністю та дипольним моментом молекул. Отже, чим вища полярність дисперсійного середовища, тим стійкішим буде золь.

Величина, а інколи і знаки φ–потенціалу можуть змінюватися під впливом зовнішньої дії (введення в систему електролітів, зміна рН, концентрації золю, температури). Особливо чутливий до цих факторів ζ–потенціал.

Електрокінетичний потенціал визначається за допомогою електрофорезу або електроосмосу.

Електрофорез – направлений рух заряджених дисперсних частинок відносно рідкого дисперсійного середовища у постійному електричному полі.

 

Рис. 10.1. Прилад Бертoна для проведення електрофорезу

Електрофорез проводять за допомогою приладу Бертона, який зображено на рис. 10.1. Основним елементом приладу є U-подібна трубка, обидва коліна якої проградуйовані у мм. U-подібну трубку заповнюють боковою рідиною до рівня А–А. Потім через лійку з краном вводять золь, що досліджується, до тих пір, поки бокова рідина не досягне рівня В–В. В обидва коліна U-подібної трубки вставляють електроди, на які подають постійний електричний струм, і засікають час.

 

При електрофорезі відбувається спрямоване переміщення частинок дисперсної фази у постійному електричному полі до електроду, що має протилежний знак до заряду колоїдної частинки. Рухливість частинок у постійному електричному полі зумовлена тим, що проходить розрив ПЕШ міцели по межі ковзання і частинка отримує заряд, що відповідає величині ζ–потенціалу.

Величину ζ–потенціалу визначають за рівнянням Гельмгольца–Смолуховського:

 

, (10.1)

де k – коефіцієнт, який залежить від форми частинок (для кульових частинок k = 6, для циліндричних k = 4, а для пластинчатих k = 2); η - динамічна в’язкість середовища; υ_еф – швидкість електрофоретичного перенесення; s – відстань, на яку переміститься рухома межа за час проведення досліду τ; l – відстань між електродами; Е – різниця потенціалів, що подана на електроди; ε – діелектрична проникність.

Вважають, що частинки дисперсної фази у золі гідроксиду заліза мають циліндричну форму, тоді k = 4.

Швидкість електрофоретичного перенесення визначають за рівнянням:

, (10.2)

де s – шлях, пройдений межею поділу золь гідроксиду заліза – бокова рідина, м; Н – градієнт потенціалу в приладі Бертона (див. рисунок), В/м; t – час проведення експерименту, с.

Градієнт потенціалу дорівнює:

, (10.3)

де Е – різниця потенціалів, подана на електроди, В; l – відстань між електродами, см.

Знак заряду колоїдної частинки визначається за напрямком зміщення межі поділу золь гідроксиду заліза – бокова рідина. Якщо межа поділу зміщується до негативного електрода, то колоїдна частинка має позитивний заряд і навпаки.

Величину ζ–потенціалу виражають у В або мВ. Значення його для колоїдних розчинів лежить в межах від 1,5 до 75 мВ.