Смотреть что такое «Электрокинетический потенциал» в других словарях:
электрокинетический потенциал — дзета потенциал — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы дзета потенциал EN zeta potential … Справочник технического переводчика
электрокинетический потенциал — elektrokinetinis potencialas statusas T sritis chemija apibrėžtis Potencialas, atsirandantis fazių slinkimo riboje. atitikmenys: angl. electrokinetic potential; zeta potential rus. дзета потенциал; электрокинетический потенциал ryšiai: sinonimas… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
электрокинетический потенциал коллоидной частицы — (дзета потенциал) – потенциал, определяющий заряд гранулы коллоидной частицы, представляющий разность суммы зарядов потенциалопределяющих ионов и зарядов противоионов, находящихся в адсорбционном слое. Дзета потенциал является показателем… … Химические термины
ПОТЕНЦИАЛ — ПОТЕНЦИАЛ. Количество любого вида энергии может быть выражено произведением двух различных величин, из к рых одна характеризует «уровень энергии», определяет направле ние, в к ром должен совершаться ее переход; так напр. тяжелое тело… … Большая медицинская энциклопедия
Потенциал электрокинетический — мера интенсивности электрокинетических явлений на гипотетической поверхности, разделяющей внутренний (плотный) и внешний (дифференциальный) адсорбционные слои; играет большую роль в механизмах действия добавок на основе ПАВ в цементах и бетонах.… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
дзета-потенциал — elektrokinetinis potencialas statusas T sritis chemija apibrėžtis Potencialas, atsirandantis fazių slinkimo riboje. atitikmenys: angl. electrokinetic potential; zeta potential rus. дзета потенциал; электрокинетический потенциал ryšiai: sinonimas… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
зета-потенциал — Электрокинетический потенциал; разность потенциалов между поверхностью, разделяющей неподвижные и подвижные части, и основной массой жидкости [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN Zeta… … Справочник технического переводчика
дзета-потенциал — см. электрокинетический потенциал коллоидной частицы … Химические термины
ДЗЕТА ПОТЕНЦИАЛ — син. термина потенциал электрокинетический. Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978 … Геологическая энциклопедия
Электрокинетический (дзета) потенциал – потенциал, возникающий на границе скольжения фаз при их относительном перемещении в электрическом поле.
Положение плоскости скольжения (линия АВ) в ДЭС не известно. Полагают, что плоскость скольжения проходит на расстоянии толщины плотной части ДЭС, и в этом случае ζ = φd; либо смещена в жидкую фазу, тогда ζ
Скорость перемещения коллоидной частицы в электрическом поле зависит:
· от свойств дисперсионной среды (вязкости η, диэлектрической проницаемости ε);
· строения ДЭС коллоидной частицы – величины ζ;
· напряженности внешнего электрического поля Н.
Линейная скорость движения дисперсной фазы (дисперсионной среды) (U) отнесенная к единице напряженности электрического поля (Н), называется электрофоретической (электроосмотической) подвижностью (U0):
, (4.2)
где U0 – электрофоретическая подвижность, м 2 /В·с; U – линейная скорость движения границы золь – боковая жидкость, м/с; H – напряженность электрического поля, В/м.
Электрокинетический потенциал связан с электрофоретической (электроосмотической) подвижностью, уравнением Гельмгольца–Смолуховского:
, (4.3)
где ζ – величина электрокинетического потенциала, В; η – вязкость дисперсионной среды, Н·с/м 2 ; ε – диэлектрическая проницаемость среды, для водной среды равная 81 (безразмерная величина); – электрическая константа (диэлектрическая проницаемость вакуума), равная 8,85·10 –12 Ф/м; U – линейная скорость движения границы золь-боковая жидкость, м/с; H – напряженность электрического поля, В/м.
Линейную скорость движения границы золь-боковая жидкость рассчитывают как отношение смещения границы раздела за время электрофореза:
, (4.4)
где h – смещение границы золь-боковая жидкость за время электрофореза, м; t – время электрофореза, с.
Напряженность электрического поля (градиент потенциала) рассчитывают как отношение приложенной разности потенциалов к расстоянию между электродами:
, (4.5)
где Е – приложенная разность потенциалов, В; l – расстояние между электродами, м.
Тогда уравнение Гельмгольца – Смолуховского для электрофорезазапишется:
. (4.6)
Расчет электрокинетического потенциала при электроосмосе ведут по уравнению:
, (4.7)
где – величина электрокинетического потенциала, В; – вязкость среды, Н·с/м 2 ; – диэлектрическая проницаемость среды, для водной среды равная 81 (безразмерная величина); – электрическая константа (диэлектрическая проницаемость вакуума), равная 8,85·10 –12 Ф/м; – удельная электрическая проводимость, Ом –1 м –1 ; – объемная скорость электроосмоса, м 3 /с; I – сила тока, А.
Объемная скорость электроосмоса ( ) – скорость перемещения объема раствора V,(м 3 ) в единицу времени t, с:
. (4.8)
Потенциал течения – возникновение разности потенциалов при продавливании через пористую диафрагму жидкости под действием внешней силы (давления).
Потенциал течения не зависит от площади и толщины диафрагмы, от количества протекающей жидкости, а зависит от давления, поддерживающего течение по уравнению:
, (4.9)
Решение. Для расчета электрокинетического потенциала воспользуемся уравнением (4.6):
На границе скольжения происходит относительное перемещение заряженных частиц и жидкости.
j д – потенциал на границе между адсорбционным и диффузным слоем.
Изменение дзета-потенциала зависит от свойств среды и наличия в ней противоионов. Добавление в дисперсную фазу одновалентных противоионов приводит к сжатию диффузного слоя и снижению дзета-потенциала. Когда все противоионы будут находится в адсорбционном слое происходит полная компенсация потенциалообразующего слоя и дзета-потенциал становится равным нулю. Точку, характеризующую подобное состояние ДЭС, называют изоэлектрической точкой (ИЭТ).
ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Появление значительного заряда поверхности является причиной возникновения особых электрокинетических явлений, характерных только для дисперсных систем.
Электрокинетическими называют такие явления, которые возникают при воздействии электрического поля на дисперсные системы и в результате перемещения частиц дисперсной фазы или дисперсионной среды. Несмотря на различие электрокинетических явлений, все они связаны с наличием ДЭС и определяются дзета-потенциалом.
Внешнее электрическое поле вызывает такие электрокинетические явления, как электрофорез и электроосмос.
SHAPE \* MERGEFORMAT
При наложении внешнего электрического поля частицы дисперсной фазы начинают двигаться к электроду, знак которого противоположен знаку дзета-потенциала.. Движение частиц происходит по плоскости скольжения ( ББ, рис.6.1).
В процессе электрофореза нарушается сферическая симметрия диффузного слоя противоионов, и он начинает двигаться в сторону, противоположную движению частиц. Противоположно направленный поток частиц диффузного слоя тормозит движение частиц. Этот эффект называют электрофоретическим торможением.
Электрофорез используют для получения новых материалов, нанесения покрытий, очистки веществ от примесей. В медицине электрофорез используют для введения лекарств. На кожу пациента накладывают тампон, смоченный раствором лекарственного препарата, а сверху электроды, к которым приложен безопасный для организма ток.
го электрического поля. Движение дисперсионной среды обусловлено притяжением разноименных зарядов.
Электроосмос используется, например, для обезвоживания древесины, грунта, продуктов питания.
Все электрокинетические явления связаны с относительным перемещением дисперсной фазы или дисперсионной среды, осуществляемой по границе скольжения. Их интенсивность определяют значением дзета-потенциала. Поэтому данную величину используют для оценки электрокинетических явлений.
Q B плотность заряда поверхности.
При установившемся движении эти силы равны, то есть:
Е q В = h ( u / h ) или u = ( q B h / h ) E (6.3)
Подставляя равенство 6.4 в 6.3., получим уравнение Гельмгольца-Смолуховского:
Скорость движения в расчете на единицу напряженности электрического поля называют электрофоретической подвижностью u Е :
С учетом формы частиц дисперсной фазы уравнения 6.5 и 6.6 принимают вид:
Государственная система обеспечения единства измерений
ПОТЕНЦИАЛ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЙ (ДЗЕТА-ПОТЕНЦИАЛ) ЧАСТИЦ В КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМАХ
Оптические методы измерения
State system for ensuring the traceability of measurements. The electrokinetic potential (Zeta potential) particles in colloidal systems. Optical measurement methods
Дата введения 2016-06-01
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений» (ФГУП «ВНИИОФИ») Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 206 «Эталоны и поверочные схемы» подкомитетом ПК 10 «Оптико-физические средства измерений»
5 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Май 2019 г.
1 Область применения
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ Р 8.774 Государственная система обеспечения единства измерений. Дисперсный состав жидких сред. Определение размеров частиц по динамическому рассеянию света
ГОСТ Р ИСО 14644-1 Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 1. Классификация чистоты воздуха
3 Термины и определения
В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 броуновское движение: Случайные движения (блуждания) частиц, взвешенных в жидкости, под действием ударов молекул, участвующих в тепловом движении.
3.2 двойной электрический слой; ДЭС: Слой ионов, образующихся на поверхности частиц в результате адсорбции ионов из коллоидного раствора.
3.4 поверхностный потенциал: Разность электрических потенциалов между поверхностью коллоидной частицы и основным объемом жидкости.
3.5 поверхность скольжения: Воображаемая поверхность вблизи границы раздела между коллоидной частицей и жидкостью, где становится заметным движение (скольжение) жидкости относительно этой границы.
3.7 электрокинетический потенциал (дзета-потенциал): Разность между электрическими потенциалами на поверхности скольжения и в основном объеме жидкости.
3.8 электроосмос: Движение жидкости вдоль заряженной поверхности, например в капиллярах или пористых мембранах, под действием внешнего электрического поля.
3.10 электрофоретическая скорость: Скорость движения частиц в жидкости под действием внешнего электрического поля.
3.11 электрофорез: Движение заряженных коллоидных частиц в жидкости под действием внешнего электрического поля.
3.12 электрофореграмма: Зависимость от времени интенсивности света, рассеянного дисперсными частицами в жидкости и движущимися под действием электрического поля, приложенного к ячейке.
3.13 эффективная (дебаевская) толщина ДЭС: Характерная толщина двойного электрического слоя в растворе электролита, то есть расстояние от поверхности заряженной частицы, при котором потенциал уменьшается в е (е 2,71) раз.
4 Сущность метода измерений
Слой противоионов состоит из плотного адсорбционного слоя, прочно связанного с частицей и движущегося вместе с ней, и диффузного слоя, который связан менее прочно и при движении частицы отрывается от нее. Граница между адсорбционным и диффузным слоями называется поверхностью скольжения.
Для измерения дзета-потенциала коллоидных частиц в жидких средах оптическими методами используют явление электрофотреза, то есть направленного движения заряженных частиц, взвешенных в жидкости, под действием электрического поля. При этом существуют два различных подхода [1]:
— метод микроэлектрофореза, заключающийся в наблюдении за электрофотретическим движением частиц через микроскоп;
— метод электрофоретического рассеивания света, основанный на измерении допплеровских сдвигов частоты или фазы излучения, рассеянного исследуемыми коллоидными частицами при их движении во внешнем электрическом поле.
В обоих методах взвесь частиц помещают в измерительную ячейку, в которой имеется пара электродов (см. рисунок 1) [1]. Эти электроды могут быть расположены либо на концах цилиндрического или прямоугольного капилляра, либо быть выполненными в виде специальной вставки, в которой они находятся на фиксированном расстоянии друг от друга и погружаются в стандартную кювету или другой сосуд.
На электроды подают известное постоянное напряжение. В результате электрофореза частицы, находящиеся в коллоидной системе и несущие отрицательный заряд, притягиваются к электродам противоположного знака, и наоборот. Кроме того, если стенки капилляра заряжены, имеет место электроосмос, то есть течение жидкости вдоль стенок капилляра. Направление и скорость частиц зависят от знака и значения их заряда. Результирующая скорость частиц в системе отсчета, связанной с измерительной ячейкой, является суммой скоростей электрофоретического движения частиц и электроосмотического течения жидкости. При этом время, необходимое частицам для достижения равновесной скорости электрофоретического движения после приложения электрического поля, значительно меньше времени, необходимого жидкости для установления равновесного электроосмотического потока. Это различие используют в некоторых реализациях метода измерений.
Измеряют как скорость движения частиц в системе отсчета, связанной с ячейкой, так и направление этого движения частиц. Поскольку напряжение, приложенное к электродам, и расстояние между ними известны на основании установленных теорий, может быть определена электрофоретическая подвижность, по которой затем вычисляют дзета-потенциал.
4.2 Сущность метода микроэлектрофореза
Сущность данного метода измерения дзета-потенциала коллоидных систем заключается в измерении скорости движения частиц, движущихся вдоль окулярной сетки микроскопа, с последующим расчетом электрофоретической подвижности частиц и дзета-потенциала.
На измерительную ячейку с коллоидным раствором подают лазерное излучение, а движение частиц вдоль окулярной сетки микроскопа обеспечивают за счет приложенного к ячейке напряжения. Излучение, попавшее на ячейку, рассеивается частицами, находящимися в коллоидной системе. В результате рассеивания возможно наблюдать освещенные частицы с помощью микроскопа на светлом или на темном поле, также возможно наблюдение на обоих полях, в зависимости от конструкции анализатора дзета-потенциала. При наблюдении в светлом поле достаточный контраст может быть обеспечен только для частиц размерами более 200 нм, в темном поле получение удовлетворительного контраста возможно для частиц размерами более 20 нм. Регистрация траектории движения частиц и расчет скорости их движения осуществляют с помощью высокочувствительного регистрационного устройства (видео- или фотокамеры) с использованием специального программного обеспечения в автоматическом режиме.
Принципиальная схема такого анализатора дзета-потенциала представлена на рисунке 2 [1].
Данным методом возможно измерять значение дзета-потенциала коллоидной системы для частиц диаметром от 10 нм до 50 мкм.
4.3 Сущность метода электрофоретического рассеяния света
Измерения методом ЭФРС целесообразно проводить при малых углах рассеяния (от 12° до 30°), чтобы минимизировать спектральное уширение лазерных линий вследствие эффекта Доплера. Наиболее отработанными являются схемы с опорным пучком, описанные ниже.
Световой пучок от лазерного источника известной длины волны делят на два пучка, один из которых используют в качестве опорного, а другой направляют на кювету с частицами для возбуждения рассеяния. Опорный пучок может либо проходить через кювету с частицами, либо идти мимо нее. Пучок излучения, рассеянного движущими частицами, и опорный пучок совмещают системой зеркал на светочувствительной площадке фотоприемника и интерферируют, в результате такой интерференции возникают биения. Если направление падающего на кювету лазерного излучения совпадает с направлением приложенного электрического поля, то допплеровский сдвиг частоты света связан со скоростью дрейфового движения частиц соотношением
, (1)
— длина волы лазерного излучения в вакууме.
В качестве фотоприемника используют либо фотоэлектронный умножитель, либо лавинный фотодиод.
Перед попаданием на фотоприемник опорный пучок проходит через модулятор, который сдвигает его частоту на несколько сотен герц относительно частоты лазерного излучения. Это позволяет определять знак допплеровского сдвига и измерять его значения, малые по абсолютной величине.
Пример оптической схемы с опорным пучком приведен на рисунке 3 [1]. В качестве модулятора эта схема использует колеблющееся зеркало 1. После модулятора пучок проходит через ослабитель 2.
В соответствии с данным методом возможно измерять значение дзета-потенциала коллоидной системы для частиц с диаметром от 3,8 нм до 100 мкм.
Описание: При воздействии на дисперсную систему электрического поля можно наблюдать перемещение дисперсной фазы и дисперсионной среды друг относительно друга. при исследовании электролиза воды. при течении жидкости через пористое тело под действием перепада давлений возникает разность потенциалов. Возникновение разности потенциалов Квинке наблюдал при течении воды и водных растворов через разнообразные пористые материалы глина дерево графит и др.
Дата добавления: 2015-11-10
Размер файла: 1.62 MB
Работу скачали: 22 чел.
Поделитесь работой в социальных сетях
Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск
1. Двойной электрический слой
1.1. Механизмы образования двойного электрического слоя
1.2. Строение двойного электрического слоя
1.3. Теория Гельмгольца
2. Электрокинетический потенциал
5. Потенциал течения и седиментации
6. Практическое использование электрокинетических явлений
Список использованных источников
В более широком смысле определение дисперсности может быть представлено так: дисперсной называют систему, состоящую из дисперсной фазы, которая представляет собой совокупность раздробленных частиц, и непрерывной дисперсионной среды, в которой во взвешенном состоянии находятся эти частицы. [2]
При воздействии на дисперсную систему электрического поля можно наблюдать перемещение дисперсной фазы и дисперсионной среды друг относительно друга. Отсюда следует, что части системы электрически заряжены.
В коллоидных системах, особенно с водной дисперсионной средой, исключительно велика роль электрического заряда на поверхности частиц.
Впервые электрокинетические явления были открыты профессором Московского университета Ф.Ф.Рейсом в 1808г. при исследовании электролиза воды.
В 1859г. Квинке обнаружил явление, обратное электроосмосу, т.е. при течении жидкости через пористое тело под действием перепада давлений возникает разность потенциалов. Возникновение разности потенциалов Квинке наблюдал при течении воды и водных растворов через разнообразные пористые материалы (глина, дерево, графит и др.). Это явление получило название потенциала течения (или потенциала протекания). [3]
Количественное исследование эффекта, обратного электрофорезу, впервые было выполнено Дорном в 1878г. Он измерял возникающую разность потенциалов при седиментации частиц суспензии кварца в центробежном поле. Явление возникновения разности потенциалов при осаждении дисперсной фазы получило название потенциала седиментации (или потенциала оседания).
Таким образом, по причинно-следственным признакам электрокинетические явления в дисперсных системах делят на две группы:
Наибольшее практическое применение получили электрофорез и электроосмос.
1. Двойной электрический слой
Рис.1 Двойной электрический слой
на границе металл-жидкость
(диффузное строение слоя)
1.1. Механизмы образования двойного электрического слоя
Двойной электрический слой возникает при контакте двух фаз, из которых хотя бы одна является жидкой. Стремление системы понизить поверхностную энергию приводит к тому, что частицы на поверхности раздела фаз ориентируются особым образом. Вследствие этого контактирующие фазы приобретают заряды противоположного знака, но равной величины, что приводит к образованию двойного электрического слоя. Можно выделить три механизма образования ДЭС:
1.2. Строение двойного электрического слоя
Двойной электрический слой состоит из ионов одного знака, относительно прочно связанных с дисперсной твёрдой фазой (потенциалопределяющие ионы), и эквивалентного количества противоположно заряженных ионов, находящихся в жидкой среде вблизи межфазной поверхности (противоионы). Заряд на поверхности твёрдой фазы в первом приближении рассматривается как поверхностный заряд, равномерно распределённый по всей поверхности. Между противоионами и свободными (не входящими в состав двойного электрического слоя) ионами того же знака, находящимися в жидкости, существует динамическое равновесие. Дисперсионная среда представляется всегда как непрерывная фаза, влияние которой на двойной электрический слой определяется лишь её диэлектрической проницаемостью.
При таких предпосылках отличие между теориями строения двойного электрического слоя заключается только лишь в различном толковании структуры слоя противоионов.
1.3. Теория Гельмгольца
Основываясь на экспериментальных данных, полученных Квинке при изучении электрокинетических явлений, Г. Гельмгольц предложил первую модель двойного электрического слоя. Согласно воззрениям Гельмгольца, в дальнейшем развитым М. Смолуховским и Ж. перреном, двойной электрический слой рассматривается как заряженный плоский конденсатор. На поверхности находится слой ионов, называемых потенциалобразующими, а на некотором расстоянии от нее в жидкой фазе
Таким образом, модели Квинке Гельмгольца соответствует скачок потенциала в двойном электрическом слое:
М. Смолуховский и Ж. Перрен предложили формулу (1) для расчета ζ-потенциала по данным электрофореза и электроосмоса.
В модели Гельмгольца не учитывается концентрация электролитов, которая существенно влияет на ζ-потенцциал. [3]
Рис.3 Строение ДЭС по Гуи и Чампену
Если воспользоваться распределение Больцмана, то концентрацию анионов в любой точке диффузного слоя можно определить по уравнению:
(2)
Концентрация катионов в этой же точке равна
(3)
где — концентрация катионов в объеме раствора.
Все эти затруднения в значительной мере преодолены в теории строения двойного электрического слоя, предложенной Штерном.
ионы. Они формируют первый слой ДЭС, который находится непосредственно у твердой поверхности.
где e заряд электрона; F = 96485 Кл/моль − число Фарадея.
Рис.4 Строение ДЭС по Штерну: пространственное распределение ионов (сверху) и изменение потенциала с расстоянием от поверхности твердой фазы вглубь раствора (снизу).
2. Электрокинетический потенциал
Протекание электрокинетических явлений в дисперсных системах возможно при наличии на границе раздела фаз двойного электрического слоя, имеющего диффузное строение. При относительном смещении фаз происходит разрыв двойного электрического слоя по плоскости скольжения(как правило, в диффузной части)(рис. 5).
Рис.5 Разрыв ДЭС по плоскости скольжения
При подобных оценках обычно принимают, что (потенциал диффузного слоя).Понижение температуры, введение в систему индифферентного электролита (специфически не взаимодействующего с поверхностью) и увеличение заряда его ионов ведут к уменьшению электрокинетического потенциала. Этот потенциал будет снижаться и с уменьшением диэлектрической проницаемости среды, например, при добавлении в водный раствор спиртов, эфиров и других органических веществ.
-потенциал дисперсной фазы тем больше, чем больше полярность растворителя, которая характеризуется его диэлектрической проницаемостью дипольным моментом.
Если поместить в U-образную трубку пористую перегородку (например, мелкий кварцевый песок) и заполнить её водой, то при наложении разности потенциалов в одном колене будет наблюдаться подъем
Рис. 6 Схема опыта по электроосмосу уровня жидкости, в другом его опускание. Движение дисперсной среды в электрическом поле относительно неподвижной дисперсной фазы (в рассмотренном случае относительно поверхности пористых тел) называется электроосмосом.
Схема прибора для изучения электроосмома представлена на рис.7
Рис.7 Схема прибора для изучения электроосмоса; 1-неполяризующие электроды, 2-солевые мостики, 3-градуированная капиллярная трубка.
Постоянный ток от источника через неполяризующиеся электроды 1 и солевые мостики 2 подводится к жидкости по обе стороны пористой диафрагмы. Объем жидкости, прошедшей через мембрану за определенное время, измеряется с помощью градуированной капиллярной трубки 3.
Рис.8 иллюстрирует изменение потенциала и скорости движения u в капиллярах пористого тела с изменением расстояния от межфазной поверхности. Направленное перемещение жидкости, вызванное внешним электрическим полем напряженностью Е, уравновешивается действием возникающей силы трения.
Рис. 8 Изменение потенциала φ и скорости течения u с расстоянием от поверхности.
В стационарном состоянии общая сила, действующая на любой сколь угодно малый слой жидкости, равна нулю, и он движется с постоянной скоростью параллельно границе скольжения.
Электрическая сила, действующая на слой жидкости dx (в расчете на единицу площади поверхности), равна:
F эл электрическая сила, Н;
p объёмная плотность заряда, выраженная в соответствии с уравнением Пуассона, м
Е напряженность электрического поля, В/м
Сила трения и её дифференциал, приходящийся на единицу площади (согласно закону Ньютона), составляют:
F тр сила трения, Н
η вязкость дисперсионной среды, Н*с/м
u скорость движения частиц, м/с
При установившемся движении (в стационарном состоянии) dFэл.=dFтр., т.е. приравниваем (5) и (6), получим:
Решение данного уравнения сводится к определению граничных условий интегрирования. При х=l, т.е. на границе скольжения, имеет = и u=0; при х=, т.е. в объёме раствора, =0 и u=0, а и
Окончательно получим следующее выражение для постоянной линейной скорости жидкости относительно мембраны:
Это классическое выражение для скорости движения жидкости при электроосмосе можно получить и на основе представлений двойного электрического слоя как плоского конденсатора, что и было сделано ещё Гельмгольцем. Более строгий вывод соотношения (8) был дан Смолуховским, поэтому уравнение (8) носит название уравнение Гельмгольца-Смолуховского. [4]
Скорость движения дисперсной среды, отнесённая к единице напряжённости электрического поля, называется электроосмотической подвижностью :
В уравнения (9) и (10) входит электроосмотическая линейная скорость, которую при обработке экспериментальных данных удобнее заменить на объёмную скорость течения жидкости. Используя закон Ома, получим:
где U-внешняя разность потенциалов, В
-удельная электропроводность, См
Окончательное выражение будет иметь вид:
Анализ данного соотношения показывает, что оно справедливо как для единичного цилиндрического капилляра, так и для системы капилляров различной формы, поскольку в это уравнение не входят их геометрические параметры.
Уточним значение электропроводности. Явление электроосмоса наблюдают в узких капиллярах.
При подключении электрического тока наблюдается движение жидкости, и будет разная. Ионы адсорбируются на стенках капилляра. Электропроводность будет больше в капилляре.
— поверхностная проводимость (избыток электропроводности, связанный с наличием на стенках капилляра двойных электрических слоёв).
длина окружности капилляра, м
S сечение капилляра, м
Направленное перемещение частиц дисперсной фазы под действием приложенной разности потенциалов (электрофорез) можно наблюдать в седиментационно устойчивых дисперсных системах. При наложении на такую систему внешней разности потенциалов происходит разрыв двойного электрического слоя по плоскости скольжения, в результате чего частица получает определённый заряд и перемещается к соответствующему электроду.
При электрофорезе можно непосредственно измерять скорость движения частиц. Электрофорез удобно наблюдать с помощью прибора, изображенного на рисунке 9. Прибор представляет собой U-образную трубку, в колено которой вставлены электроды.
Рис. 9 Схема устройства для изучения эдектрофореза; 1-электрод, 2-солевый мостик
Прибор представляет собой U-образную трубку, в колено которой вставлены электроды 1.
Полученное ранее дифференциальное уравнение (7) справедливо для электрофореза, т.к. оно было выведено из баланса движущих сил процесса. Отношение скорости движения дисперсной фазы к напряжённости электрического поля при электрофорезе называют электрофоретической подвижностью:
При выводе соотношений (14) и (15) принимаются следующие ограничения:
Экспериментально определённые значения подвижности оказываются меньше расчетных. Несовпадение экспериментальных и теоретических значений электрофоретической подвижности определяется двумя эффектами: релаксационным эффектом и электрофоретическим торможением.[5]
Релаксационный эффект проявляется в нарушении симметрии диффузного слоя вокруг частицы при относительном движении фаз в противоположные стороны. Возникает внутреннее электрическое поле (диполь), направленное против внешнего поля.
Электрофоретическое торможение обусловлено сопротивлением движению частицы, обратной потоком противоионов, который увлекает за собой жидкость. Вследствие этого электрофоретическая скорость уменьшается. Гюккель, основываясь на теории сильных электролитов, установил, что в уравнение (14) необходимо ввести множитель 2/3 как поправку на электрофоретическое торможение. В дальнейшем было показано, что электрофоретическое торможение является функцией размера частицы и толщины диффузного слоя. Поправка Гюккеля необходима, если толщина диффузного слоя значительно превышает размер частицы; при условии соизмеримости этих параметров её значение может находиться в пределах от 2/3 до 1. [5]
5. Потенциал течения и седиментации
Явление, обратное электроосмосу потенциал течения состоит в том, что при течении дисперсионной среды под действием перепада давления через пористую мембрану на её концах появляется разность потенциалов.
Рис.10 Схема прибора для изучения потенциала течения; 1-электрод, 2-солевые мостики
При изучении потенциала протекания жидкость продавливают через мембрану под давлением ∆р. (Рис.10) Давление создается сжатым баллоном воздуха или насосом. Возникающая разность потенциалов измеряется потенциометром.
Разность потенциалов, в свою очередь вызывает встречный объёмный поток ионов противоположного знака по всему капилляру. После установления равновесного состояния потоки ионов станут равными, а разность потенциалов примет постоянное значение, равное потенциалу течения U. Потенциал течения пропорционален перепаду давления р.
При потенциале седиментации (эффект Донра) как явление, обратном электрофорезу, частицы твёрдой фазы, несущие заряд, осаждаются под действием силы тяжести либо силы центробежного поля. В процессе осаждения ионы диффузного слоя вследствие молекулярного трения отстают
Рис.10 Схема прибора для изучения потенциала седиментации; 1-электрод, 2-солевые мостики
Выражение Гельмгольца-Смолуховского для потенциала седиментации:
Частичная концентрация дисперсной системы определяется по уравнению:
где С массовая концентрация дисперсной фазы.
6. Практическое использование электрокинетических явлений
Электрокинетические явления широко используются в технике, а также в научных исследованиях нанесение покрытий на различные поверхности электрофоретическим методом. Данный метод, обеспечивающий высокую кроющую способность позволяет получить равномерное покрытие на деталях сложной конфигурации. При электрофоретическом методе нанесения покрытий как правило одним из электродом служит деталь, на которой формируется покрытие, другим ёмкость с суспензией, дисперсная фаза которой наносится на поверхность детали. В зависимости от того, каким электродом (анодом или катодом) является покрываемая деталь, различают анодофорез и катодофорез.
Электрофоретический метод широко применяется также для покрытия катодов радиоламп, полупроводниковых деталей, нагревателей и т.д. Электрофорез используется в медицине, в биологии при выявлении биохимической и физиологической роли различных высокомолекулярных соединений. Этот метод используется также для фракционирования полимеров и минеральных дисперсий.[6]
Явление электроосмоса лежит в основе способа удаления влаги при осушке объектов (стен зданий, сыпучих материалов и т.д.) и способа пропитки материалов различными веществами. Всё большее значение приобретает электроосмотическая фильтрация, сочетающая в себе два процесса: фильтрацию под действием приложенного давления и электроосмотический перенос жидкости в электрическом поле. Применение электроосмоса ограничено большим потреблением электроэнергии.
Явление потенциала течения и седиментации наблюдается в производствах, в которых осуществляется транспортировка жидкостей (перекачка технологических растворов, жидкого топлива), осаждение суспензий и эмульсий при разделении фаз. На концах трубопроводов и аппаратов могут возникать высокие разности потенциалов, которые являются причиной искровых разрядов, вызывающих пожары и взрывы.
Список использованных источников
1. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб.и доп. Л.: Химия, 1984. 368 с., ил.
2. Савицкая, Т. А. Коллоидная химия: строение двойного электрического слоя, получение и устойчивость дисперсных систем. Пособие для студентов химического факультета / Т. А. Савицкая, Д. А. Котиков, Т. А. Шичкова
Минск: БГУ, 2011. 82 с.
3. Захарченко В.Н. Коллоидная химия. Учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во Высш. шк., 1989. 238 с.
, (4.2)
, (4.3)
– электрическая константа (диэлектрическая проницаемость вакуума), равная 8,85·10 –12 Ф/м; U – линейная скорость движения границы золь-боковая жидкость, м/с; H – напряженность электрического поля, В/м.
, (4.4)
, (4.5)
. (4.6)
, (4.7)
– величина электрокинетического потенциала, В; 
– вязкость среды, Н·с/м 2 ; 
– диэлектрическая проницаемость среды, для водной среды равная 81 (безразмерная величина); 
– удельная электрическая проводимость, Ом –1 м –1 ; 
– объемная скорость электроосмоса, м 3 /с; I – сила тока, А.
. (4.8)
, (4.9)
.
, (1)
(2)
(3)
— концентрация катионов в объеме раствора.
