Электрокинетические явления

Наличие двойного электрического слоя на межфазной поверхности дисперсная частица/дисперсионная среда приводит к нескольким следствиям. Одно из них заключается в том, что при помещении дисперсной системы в электрическое поле заряженные частицы начинают двигаться в направлении вектора электрической напряженности; такое движение называют электрофорезом. Другое следствие – течение жидкой дисперсионной среды через пористые материалы под действием внешнего электрического поля; такое течение называют электроосмосом. Электрофорез и электроосмос относятся к прямым электрокинетическим явлениям. Они были открыты в 1808 г. профессором Московского университета Ф.Ф.Рейссом.

К электрокинетическим явлениям относятся и обратные эффекты – возникновение электрического поля при движении частиц в среде (например, при оседании частиц) (потенциала и ток оседания), а также возникновение поля при движении жидкости через пористую среду или мембрану (потенциал и ток течения).

Выражение для скорости движения частиц при электрофорезе v дает уравнение Гельмгольца-Смолуховского:

    (1)

где E – напряженность электрического поля, ε – диэлектрическая проницаемость среды, ε₀ – диэлектрическая постоянная, η – вязкость среды, ζ – электрокинетический потенциал.

Выражение для скорости электроосмоса имеет вид:

        (2)

где I – сила тока, λ – удельная электропроводность жидкости.

Поясним физический смысл электрокинетического потенциала (или ζ-потенциала).

В результате действия сил адгезии, вблизи поверхности формируется структурированный (закрепленный и малоподвижный) слой дисперсионной среды. Свойства приповерхностного слоя отличаются от свойств объемной жидкости: у жидкости в слое повышена вязкостью, меньшее значение диэлектрической проницаемости. При взаимном смещении фаз под действием внешнего поля, приповерхностный слой раствора остается неподвижным относительно твердой поверхности. Смещение фаз происходит вдоль поверхности скольжения, располагающейся в диффузной части двойного электрического слоя. Граница скольжения отделяет неподвижную, связанную с твердой поверхностью часть жидкой фазы от остальной ее части, в которой реализуется смещение. Таким образом, ζ-потенциал – значение электрохимического потенциала на границе скольжения (рис.1). Эта  экспериментально определяемая величина является характеристикой двойного электрического слоя.

Рис.1. Строение двойного электрического слоя

На величину и знак ζ-потенциала существенное влияние оказывает изменение электролитного состава дисперсионной среды. При добавлении индифферентных электролитов (не влияющих на потенциал поверхности, т.е. не содержащих ионов, входящих в кристаллическую решетку твердого тела или изоморфных им) изменения ζ-потенциала зависят от соотношения величин зарядов противоионов исходного двойного слоя и соответствующих им по знаку ионов добавленного электролита. Если электролит содержит те же ионы, что и противоионы исходного двойного слоя, ζ-потенциал уменьшается вследствие уменьшения толщины ионной атмосферы (рис.2, кривая 1). Если добавленный электролит содержит ионы большего знака, происходит ионный обмен и при наличии сильных электростатических и адсорбционных сил притяжения ионов к поверхности, может происходить изменение знака ζ-потенциала, т.е. к перезарядка частиц золя (рис.2, кривая 2). При добавлении неиндефферентных электролитов, содержащих ионы одинакового знака с потенциалопредедяющими ионами, сначала происходит увеличение ζ-потенциала (вместе с потенциалом поверхности), а затем его уменьшение из-за сжатия диффузного слоя (рис.2, кривая 3). Если неиндефферентный электролит содержит ионы противоположного знака потенциалопределяющим, то происходит перезарядка поверхности и зависимость ζ-потенциала от концентрации добавленного электролита будет иметь вид кривой 2 рис.2.

Рис.2. Влияние электролитов на ζ-потенциал (дзета-потенциал)

Электрокинетические явления находят широкое применение в промышленности и в научных целях: электрофорез используется при нанесении металлических покрытий, для разделения и анализа белков, электроосмос – для осушки фундаментов зданий, анализ потенциала течения является одним из геофизических методов разведки гидрогеологической обстановки местности.

Рекомендованная литература

Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. 4-е изд., исправ. – М.: Высш. шк. 2006.

Адамсон А. Физическая химия поверхностей. – М.: Издательство «Мир». 1979.

Ролдугин В.И. Физикохимия поверхности – Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2008.