Электрофорез, электроосмос, потенциалы седиментации и протекания

Образование коллоидных систем происходит в присутствии электролита. При взаимодействии коллоидных частиц с электролитами на поверхности частиц адсорбируется один из ионов в соответствии с правилами избирательной адсорбции Пескова-Фаянса.

В результате вещество дисперсионной фазы приобретает определенный электрический заряд, а дисперсионная среда – противоположный. Наложение постоянного электрического поля приводит к тому, что частицы дисперсной фазы и среды движутся к противоположно заряженным электродам.

Наличие у дисперсных систем электрического заряда впервые было открыто в 1808г. профессором Московского университета Рейссом. Перенос коллоидных частиц в электрическом поле получил название электрофореза.

Исследованиями Видемана, проведенными в 1852г., было установлено, что количество жидкости, прошедшей через капилляры пористой диафрагмы, пропорционально силе тока и при постоянной силе тока не зависит от площади сечения или толщины диафрагмы. Это явление было названо электроосмосом.

а)

б)

Рис. 20.1 а) Схема опыта Рейсса по электрофорезу;

б) Схема опыта по электроосмосу.

В первом опыте жидкость помутнела, следовательно, частицы глины переносятся в электрическом поле к положительному полюсу. При электрофорезе в результате возникновения электрического поля между электродами, благодаря малому размеру частиц глины, происходит перенос отрицательно заряженной дисперсной фазы к положительному электроду. При электроосмосе ввиду того, что частицы песка слишком тяжелы, под влиянием электрического поля по капиллярам, имеющимся в слое песка, к отрицательному электроду передвигается положительно заряженная жидкость.

Причина обоих явлений одна и та же – наличие разноименных зарядов у твердой и жидкой фазы коллоидного раствора.

Явление электрофореза широко используется на практике при обезвоживании сырых нефтей, для улавливания в заводских трубах отходов ценных металлов и т.д. Принципы электроосмоса применяются при строительстве дамб, плотин, намывке грунтов, удалении из них избыточной влаги и др.

В дальнейшем были обнаружены два явления, которые противоположны электрофорезу и электроосмосу. Дорн в 1878г. обнаружил, что при оседании каких-либо частиц в жидкости, например песка в воде, возникает разность потенциалов между двумя электродами, введенными в разные места столба жидкости. Это явление, противоположное электрофорезу, получило название эффекта Дорна, или потенциала седиментации (оседания), являющегося, как предполагают, причиной возникновения грозовых разрядов в атмосфере.

При продавливании жидкости через пористую перегородку, по обеим сторонам которой находятся электроды, также было обнаружено возникновение разности потенциалов. Явление это, открытое Квинке в 1859г. и обратное электроосмосу, было названо потенциалом протекания, или потенциалом течения.

Все четыре указанных явления получили общее название электрокинетических явлений. Причиной этих свойств дисперсных систем считают существование двойного электрического слоя на границе раздела фаз. Теоретические основы электрокинетических явлений были разработаны Гельмгольцем (1879) и позднее Смолуховским (1921).

Рис. 20.2 Схема образования двойного электрического слоя вокруг частицы иодида серебра, находящейся в растворе KI.

С современной точки зрения заряд на коллоидных частицах лиозолей, проявляющийся при электрофорезе, обусловлен наличием на их поверхности двойного электрического слоя из ионов, возникающего либо в результате избирательной адсорбции одного из ионов электролита, находящегося в растворе, либо за счет ионизации поверхностных молекул веществ.

Иодид-ионы (потенциалопределяющие ионы (ПОИ)) достраивают кристаллическую решетку иодида серебра и тем самым придают частицам отрицательный заряд, а ионы калия (противоионы) находятся в растворе вблизи межфазной поверхности. В целом, весь комплекс, называемый мицеллой, остается электронейтральным.

Возникновение двойного электрического слоя за счет ионизации можно проиллюстрировать образованием двойного электрического слоя на частицах водного золя диоксида кремния. Молекулы SiO₂, находящиеся на поверхности таких частиц, взаимодействуют с дисперсионной средой, гидратируются и образуют кремниевую кислоту, способную ионизироваться:

H₂SiO₃ = SiO₃²^– +2H⁺

При этом силикат ионы SiO₃²^– остаются на поверхности частицы, обуславливая ее отрицательный заряд, а ионы водорода переходят в раствор.

При действии электрического поля на частицы, несущие двойной электрический заряд, происходит явление, напоминающее электролиз. Если дисперсная фаза заряжена отрицательно, коллоидные частицы вместе с адсорбированными на них отрицательными ПОИ движутся к аноду, а положительно заряженные противоионы – к катоду. Если дисперсная фаза заряжена положительно, направление движения частиц и ионов меняется на обратное.

Следует отметить, что к электроду, имеющему заряд, одноименный с заряженными частицами, движется только часть противоионов. Другая часть противоионов, находящихся весьма близко от поверхности дисперсной фазы, под действием значительных электрических и адсорбционных сил оказывается связанной с частицами и вынуждена двигаться вместе с ними.

Рис. 20.3 Схема движения коллоидных частиц и противоионов

при электрофорезе.

При этом совершенно произвольно принято, что ПОИ заряжены отрицательно, а противоионы – положительно.