Файл: Захарченко В.Н. Коллоидная химия учебник.pdf

венное изучение электроосмоса. Г. Квинке в 1859 г. открыл эффект, обратный электроосмосу, а Дорн в 1880 г. обнару­ жил явление, обратное электрофорезу.

Электрокинетические явления классифицируют следу­ ющим образом:

1) электрокинетические явления первого рода — относи­ тельное перемещение фаз под действием приложенного на­ пряжения; к ним относятся: а) электрофорез— движение частиц дисперсной фазы в неподвижной дисперсионной сре­ де; б) электроосмос — движение жидкости относительно

никновение разности потенциалов вследствие вынужден­ ного относительного движения фаз; различают: а) потен­ циал оседания (эффект Дорна) — возникновение разности потенциалов при движении частиц в неподвижной жидкости; б) потенциал протекания (эффект Квинке) — возникновение разности потенциалов при движении жидкости относитель­ но неподвижной твердой поверхности.

Схемы приборов для изучения электрокинетических явлений показаны на рис. 47. Установка для изучения элек­ трофореза (рис. 47, а) имеет вид U -образной трубки, за­ литой золем. На золь наслаивают боковую (контактную) жидкость, представляющую собой дисперсионную среду данного золя. В боковую жидкость погружают солевые мостики, создающие электрический контакт золя с неполяризующимися электродами, состоящими из металла, погружаемого в раствор собственной соли. Широко приме­ няют следующие электроды; медь в растворе CuS04, цинк в растворе ZnS04, хлоросеребряный электрод. Прилагаемое извне напряжение постоянного тока измеряют вольтметром. Скорость движения частиц при электрофорезе оценивают по перемещению границы между боковой жидкостью и золем за определенное время. При этом полагают, что все частицы движутся с одинаковой скоростью.

Схема прибора для изучения электроосмоса показана на рис. 47, б. Постоянный ток от источника через неполяризующиеся электроды и солевые мостики подводится к жид­ кости по обе стороны пористой мембраны. Объем жидкости, прошедшей через мембрану за определенное время, изме­ ряется с помощью градуированной капиллярной трубки. При изучении потенциала протекания (рис. 47, е) жидкость продавливают через мембрану под давлением АР, Давление создается баллоном сжатого воздуха, как показано на

Рис. 47. Схемы устройств для изучения . электрокинетических явлений:

рис. 47, в, или насосом. Возникающая разность потенци­ алов измеряется потенциометром.

Эффект Дорна (потенциал оседания) труднее других электрокинетическиX явлений поддается количественному изучению, так как возникающая разность потенциалов обычно очень мала. На рис. 47, а показана схема установки, в которой частицы, высыпаемые в дисперсионную среду из воронки, оседают под действием силы тяжести. Электри-

тѲ Ѳ Ѳ Ѳ Ш Ѳ Ѳ В '

ѲѲ Ѳ Ѳ 0 ѳ ѳ ѳ ѳ_

Рис. 48. К выводу уравнений для

электрофореза и .электроосмоса

ческие схемы измерений потенциала протекания и потен­ циала оседания одинаковы.

Элементарная теория электрокинетических явлений. Пер­ вую теорию электрокинетических явлений разработал Гельмгольц, использовавший представления о двойном электрическом слое как о плоском конденсаторе. Экспери­ ментальные основания теории получили при изучении элек­ троосмоса Г. Видеман и Г. Квинке. Они установили сле­ дующие закономерности:

объем жидкости, прошедшей через мембрану за едини­ цу времени и отнесенной к единице силы тока, при прочих

равных условиях не зависит от площади и толщины мем­ браны;

количество жидкости, прошедшей за единицу времени, прямо пропорционально силе тока;

количество жидкости, протекающей за единицу времени, снижается по мере увеличения электропроводности рас­ твора.

Приступая к выводу основных уравнений электрофореза и электроосмоса, рассмотрим две модели. Одна из них — пористая мембрана, насквозь пронизанная цилиндрическими капиллярными порами, другая— дисперсная система, со­ держащая длинные цилиндрические частицы, оси которых совпадают с направлением силовых линий электрического поля (рис. 48). Двойной электрический слой будем рас­ сматривать как плоский конденсатор. Другие условия, которые должны выполняться в случае применения полу­ чаемых количественных соотношений: а) размеры капил­ ляров или частиц дисперсной фазы значительно превышают толщину двойного электрического слоя; б) молекулы жид­ кости настолько прочно прилипают к поверхности, что их скольжение исключено; в) заряды в системе переносятся жидкостью, содержащей ионы.

Рассчитаем силу электростатического взаимодействия Дл, заставляющую перемещаться частицу дисперсной фазы в жидкой среде или, наоборот, жидкость в капилляре мем­ браны. Для этого воспользуемся уравнением

где Е — напряженность электрического поля; q — поверх­ ностная плотность заряда; О — площадь поверхности.

Уравнение (V, 10) в равной мере применимо для описания электрофоретического движения частиц и электроосмотического движения жидкости. Если скорость движения уста­ новилась постоянной, то сила электростатического взаимо­ действия окажется равной силе сопротивления среды Д опр. Последняя может быть найдена по закону Ньютона, ко­ торый для данного случая запишем в виде

W

где т] —вязкость жидкости; w — относительная скорость пе­ ремещения фаз; б — толщина двойного электрического слоя; О — площадь двойного электрического слоя.

Применяя уравнение (V, 11), относительное перемеще­

100

Это явление вызывается движением ионов под действием электрического поля. Увлекая за собой дисперсионную сре­ ду в направлении, противоположном движению частицы, ионы создают добавочное сопротивление перемещению частиц.

Переходя к выводу основного уравнения электроосмоса, отметим, что (Ѵ,13) справедливо только для описания скорос­ ти течения жидкости в одном капилляре. Объем жидкости, протекающей за единицу времени через капилляр с радиу­ сом rL, можно определить по формуле

Количество жидкости, протекающей за единицу време­ ни через мембрану в целом, определим как сумму по всем капиллярам

Недостаток формулы (V, 16) проявляется в том, что в нее входит практически неопределяемая сумма площадей сечения всех капилляров. Чтобы устранить сумму 2лгД воспользуемся следующим приемом. Представим мембрану как параллельно соединенные проводники — капилляры. Электрическое сопротивление мембраны R найдем по фор­ муле

U__El_

і і

где Ri — сопротивление одного капилляра; * — электро­ проводность жидкости; I — длина капилляра; U — напря­ жение тока; і — сила тока.

Следовательно,

Окончательно получим

Еа I

102