ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Электрокинетические явления из "Коллоиды" Поверхностные заряды образуются главным образом двумя противоположными способами. [c.68] Аналогично поверхность стекла в водном растворе обычно заряжена отрицательно, вследствие диссоциации силикатов натрия или калия. Макромолекулы белков в растворе заряжаются за счет диссоциации аминных и кислотных (карбоксильных) групп. Если на поверхности жидкости адсорбирована органическая кислота, то при добавлении в раствор щелочи получится соль этой кислоты. Соль начнет диссоциировать, и на поверхности останутся отрицательно заряженные ионы кислоты, т. е. анионы. [c.69] Адсорбция. В отсутствии адсорбции количество положительных и отрицательных ионов в растворе всегда одинаково и раствор электронейтрален. Если какой-либо из ионов может адсорбироваться, он переходит на поверхность раздела и заряжает ее. Это характерно для металла, погруженного в достаточно концентрированный раствор собственных ионов — например медь в растворе сульфата меди. Ионы меди осаждаются на меди и заряжают ее положительно, а сульфат-ионы остаются в растворе. [c.69] Если поверхность имеет ионное строение, то в соответствии с известным правилом Панета — Фаянса она адсорбирует тот ион, который образует с каким-либо из собственных ионов труднорастворимое соединение. Например, коллоидные частицы иодида серебра адсорбируют из раствора хлорида натрия ионы хлора и заряжаются отрицательно, так как ионы хлора (из раствора) образуют с ионами серебра (Agi) труднорастворимый хлорид серебра. [c.69] Конечно, возможны и другие причины адсорбции. Например, стекло может адсорбировать некоторые ионы из раствора (чаще всего ионы водорода и гидроксила) и заряжаться. В эмульсиях и пенах, полученных из растворов щелочных солей органических кислот, которые в значительной степени диссоциированы, адсорбируются отрицательно заряженные ионы соответствующих кислот. [c.69] Как известно, сила поля между пластинами плоского конденсатора постоянна (кроме его краев), т. е. плотность силовых линий всюду одинакова (рис. 29). Пусть расстояние между пластинами равно d, а потенциал уменьшается линейно от некоторого значения фо на положительной пластине (в рассматриваемом примере — частица) до некоторого значения, принимаемого за нуль , на отрицательной пластине (раствор) (рис. 30). [c.71] Эта простая модель двойного электрического слоя очень удобна, но, как мы увидим далее, в большинстве случаев она даже качественно не может объяснить наблюдаемые явления. В реальности накопление ионов на поверхности сильно повышает их концентрацию и приводит к обратной диффузии в раствор. Большое значение имеет также и взаимное отталкивание находящихся на малых расстояниях одноименно заряженных противоионов. Поэтому последние распределяются в растворе у поверхности и концентрация их постепенно убывает от некоторого максимального значения в непосредственной близости от поверхности до нуля на достаточно большом расстоянии от нее, где концентрация положительных и отрицательных ионов одинакова. [c.71] Сила поля, а следовательно, и потенциал также изменятся по сравнению с моделью плоского конденсатора. В случае диффузного слоя только часть силовых линий заканчивается в ближайших противо-ионах, а остальные проникают в глубину раствора некоторые из них достигнут и наиболее удаленных противоионов. Поэтому сила поля не постоянна, а постепенно спадает до нуля в объеме раствора. Это же справедливо и для потенциала ср. [c.72] Чем больше концентрация противоионов в данной точке, тем больше силовых линий заканчивается в ней и тем быстрее изменяется потенциал. Поэтому значение ф на данном расстоянии х от поверхности зависит от концентрации ионов. В свою очередь последняя зависит от энергии ионов, а через нее — от потенциала. Получается замкнутый круг, который можно разорвать только в том случае, если найти два уравнения, связывающие потенциал и ионную концентрацию. [c.72] Так как в рассматриваемом случае потенциал ф положителен, для отрицательных ионов г 0) величина —гео(р1кТ О и концентрация их у поверхности превышает среднюю Со. Для положительных ионов (2 0), конечно, реализуется обратная ситуация. [c.73] Другое необходимое уравнение есть прямое следствие закона Кулона и связывает потенциал, величину заряда (в нашем случае — ионную концентрацию) и расстояние. Оно носит название уравнения Пуассона . [c.73] Зависимость (20) ф от х при двух значениях к графически представлена на рис. 32. Потенциал от начального значения фо при х = О спадает вначале довольно быстро, а затем плавно уменьшается вплоть до нуля в объеме раствора (при х = оо, е °° = 0). [c.73] Толщина диффузного слоя определяет скорость, с которой уменьшается потенциал по мере удаления от поверхности. Как видно из рис. 32, кривая 1, для которой толщина 1/ 1 меньше, значительно быстрее достигает значения фо/е, чем кривая 2. [c.74] Даже в такой приближенной форме, изложенной выше, теория Гуи — Чепмена объясняет многие явления, но некоторые предпосылки, лежащие в ее основе, не всегда выполняются. [c.75] Один из основных недостатков теории — использование в ней закона Больцмана, Как, вероятно, помнят читатели, при формулировании этого закона мы говорили, что он строго применим для невзаимодействующих частиц. Это условие выполняется при низкой концентрации частиц, между которыми действуют вандерваальсовы силы, так как они резко спадают (пропорционально 1//- ) с увеличением расстояния г между частицами. Однако ионы взаимодействуют по закону Кулона —сила, пропорциональная г , очень медленно падает с расстоянием поэтому при некоторых концентрациях взаимодействием нельзя пренебречь, Учет взаимодействия очень труден, только в последнее время с помощью исключительно сложных математических методов в этом направлении достигнут крупный успех. Несмотря на то, что неучет взаимодействия ухудшает согласованность теории с опытом, уточнение не дает никаких существенно новых качественных эффектов, и потому нет необходимости останавливаться подробно на этом вопросе. [c.75] Последние две неточности теории Гуи — Чепмена были в известной степени устранены Штерном. Он принял, что часть противоионов, находящихся наиболее близко к поверхности, лежит на определенном расстоянии от нее и образует мономолекулярный слой (названный штерновским), а остальные противоионы распределены диффузно по теории Гуи —Чепмена. Эти представления иллюстрирует рис. 33, на котором для простоты представлены только отрицательные ионы. Ионы в щтерновском слое связаны с поверхностью как электростатическими, так и адсорбционными силами, а количество их определяется изотермой Лэнгмюра. [c.76] Так как ионы штерновского слоя образуют с поверхностью нечто подобное плоскому конденсатору, потенциал на расстоянии й падает линейно, а на больших — изменяется по уравнению (20) теории Гуи — Чепмена (рис. 34). [c.76] НОЙ частицей, компенсирует ее заряды, в целом она не заряжена. Этому состоянию соответствует так называемая изоэлектрическая точка. [c.77] Если отрицательные ионы адсорбируются очень сильно, количество их в штерновском слое может превысить количество поверхностных зарядов, и частица вместе с этим слоем приобретает отрицательный заряд. Поэтому диффузный слой будет иметь уже положительный, а не отрицательный заряд (рис. 35), т. е. поверхность перезарядится. В этом случае потенциал в штерновском слое спадает линейно до некоторого отрицательного значения, после чего в диффузном слое он увеличивается вплоть до нуля в объеме раствора (рис. 36). [c.77] Иодид серебра очень трудно растворим в воде и образует коллоидный раствор. Согласно упоминавшемуся ранее правилу Панета — Фаянса, ядро коллоидной частицы, состоящее из иодида серебра, начнет адсорбировать из раствора ионы иода, а ионы калия останутся в растворе. Частица приобретает отрицательный заряд и окружается положительно заряженными противоионами (рис. 37, а). [c.77] Вернуться к основной статье