КХ Лекция №10 Электроповерхностные свойства дисперсных систем

1. Электроповерхностные свойства дисперсных систем

Лекция 10
Электроповерхностные свойства
дисперсных систем
ДОЦЕНТ КАФЕДРЫ НАНОРАЗМЕРНЫХ СИСТЕМ И ПОВЕРХНОСТНЫХ
ЯВЛЕНИЙ ИМЕНИ С.С.ВОЮЦКОГО, К. Х. Н. О.А. ДУЛИНА

2. Значение электроповерхностных явлений в природе и технике

В дисперсных системах значение электроповерхностных явлений особенно велико,
что связано с существованием особой группы явлений, называемых
электрокинетическими. К электрокинетическим явлениям относятся электрофорез,
электроосмос, потенциал течения и потенциал седиментации.
Электрокинетические явления имеют большое значение в биологии. Капиллярные
системы, по которым со значительной скоростью циркулируют электролиты – кровь,
лимфа, межклеточная жидкость, являются неотъемлемой частью организмов
растений и животных. Вследствие этого в организме возникают биотоки. В
электрокардиографии существенную роль играет потенциал течения.

3.

Значение электроповерхностных явлений в
природе и технике
Электрокинетические явления проявляются также в геологии (электроразведка),
почвоведении и агрохимии.
Электроосмос применяется для осушки и укрепления грунта; извлечения нефти;
осушки зданий; обезвоживания древесины; для очистки коллоидных растворов от
примесей (например, при получении Al2O3 ), очистки глицерина, сахарных сиропов,
желатина; при дублении кожи.
Электрофорез применяют для нанесения покрытий в процессе
электрофоретического осаждения на различные поверхности; для
фракционирования полимеров; для разделения и анализа белков.

4. Причина возникновения заряда поверхности

Заряд поверхностей возникает при их взаимодействии благодаря избыточной
поверхностной энергии. Поверхностная энергия стремится уменьшиться
вследствие ориентации молекул, ионов и электронов в поверхностном слое. Это
приводит к увеличению электрической энергии системы и к возникновению заряда.
Существует несколько механизмов возникновения заряда поверхности.

5. Механизмы возникновения заряда на поверхности в лиозолях

1. Заряд поверхности может возникнуть по механизму диссоциации молекул,
находящихся на поверхности, с переходом одного из ионов в раствор. Так,
поверхность частицы SiO2 гидролизуется и заряжается отрицательными ионами.
Формула мицеллы золя SiO2имеет следующий вид:

6.

Механизмы возникновения заряда на поверхности
в лиозолях
2. Заряд может образоваться по механизму поверхностной ионизации металла
вследствие эмиссии электронов с поверхности металла, которая заряжается
положительно:
3. Заряд может образоваться в результате перехода с поверхности в раствор
гидратированных ионов. Например у AgI ионы Ag+ гидратируются сильнее, чем
ионы I-, поэтому они легче переходят в раствор.
4. Поверхность может заряжаться в результате адсорбции :
а) потенциалопределяющих ионов при образовании ионно-стабилизированных
систем
mFePO4nPO43-3(n-x)Na+ 3xNa+
б) ионогенных ПАВ
mПnRCOO-(n-x)Na+ xNa+

7.

Механизмы возникновения заряда на поверхности в
лиозолях
5. Поверхность может заряжаться вследствие ориентации дипольных молекул в
поверхностном слое. Так заряжаются поверхности диэлектриков, приведенные в
контакт и подвергаемые трению.
В любом случае на поверхности происходит пространственное разделение заряда
между фазами, то есть образуется двойной электрический слой (ДЭС), состоящий
из потенциалопределяющих ионов и противоионов. Между поверхностью и
раствором образуется разность потенциалов. Потенциал поверхности φ0 по мере
удаления от поверхности частиц вглубь дисперсионной среды уменьшается, так как
он компенсируется находящимися в растворе ионами противоположного знака.
Самопроизвольное образование ДЭС происходит вследствие уменьшения свободной
энергии поверхности, что приводит к увеличению электрической энергии.

8. Связь поверхностного натяжения с электрическим потенциалом Уравнение Липпмана

Поверхностная энергия характеризуется поверхностным натяжением σ, а
электрическая энергия поверхности – её электрическим потенциалом φ. Связь
между потенциалом поверхности и величиной поверхностного натяжения
описывается уравнением Липпмана. Вывод этого уравнения основан на том, что
поверхность раздела фаз представляет собой плоский конденсатор, поверхность
которого равна s, заряд - q, а потенциал - φ. При увеличении поверхности на ds
заряд увеличивается на dq.
s+ds
q+dq

9.

Связь поверхностного натяжения с электрическим потенциалом
Уравнение Липпмана
Максимальная изотермическая работа процесса равна изменению свободной
энергии: