Распределение ионов и электрического потенциала в двойном электрическом слое (ДЭС). Параметры, характеризующие ДЭС

В дисперсных системах на поверхности частиц (на границе раздела частица-дисперсионная среда) возникает двойной электрический слой (ДЭС). Двойной электрический слой представляет собой слой ионов, образующийся на поверхности частицы в результате адсорбции ионов из раствора или диссоциации поверхностных соединений. Поверхность частицы приобретает слой ионов определенного знака, равномерно распределенный по поверхности и создающий на ней поверхностный заряд. Эти ионы называют потенциалопределяющими (ПОИ). К поверхности частицы из жидкой среды притягиваются ионы противоположного знака, их называют противоионами (ПИ).

Таким образом, двойной электрический слой состоит из потенциалопределяющих ионов и слоя противоионов, расположенных в дисперсионной среде. Слой противоионов состоит из двух слоев:

• Адсорбционный слой (плотный слой), примыкающий непосредственно к межфазной поверхности. Данный слой формируется в результате электростатического взаимодействия с потенциалопределяющими ионами и специфической адсорбции.
• Диффузный слой, в котором находятся противоионы. Эти противоионы притягиваются к частице за счет электростатических сил. Толщина диффузного слоя зависит от свойств системы и может достигать больших значений.

При движении частицы двойной электрический слой разрывается. Место разрыва при перемещении твердой и жидкой фаз друг относительно друга называется плоскостью скольжения. Плоскость скольжения лежит на границе между диффузными и адсорбционными слоями, либо в диффузном слое вблизи этой границы. Потенциал на плоскости скольжения называют электрокинетическим или дзета-потенциалом (ζ -потенциал).

Другими словами, дзета-потенциал - это разность потенциалов дисперсионной среды и неподвижного слоя жидкости, окружающего частицу.

Строение двойного электрического слоя

Образование двойного электрического слоя приводит к появлению электрического потенциала, который убывает с расстоянием, и его значение в разных точках соответствует:

• Поверхностному потенциалу φ
• Потенциалу адсорбционного слоя φ_δ
• Дзета-потенциал
• у ζ

При специфической адсорбции адсорбция на поверхности твердой фазы ионов какого-либо вида не сопровождается выделением в раствор эквивалентного числа других ионов того же знака; твердая фаза при этом приобретает электрический заряд. Это приводит к тому, что вблизи поверхности под действием сил электростатического притяжения группируется эквивалентное число ионов с противоположным зарядом, т.е. образуется двойной электрический слой. Взаимодействие концентрирующихся на поверхности зарядов приводит к понижению поверхностной энергии системы. Для случая специфической адсорбции электролита Песковым и Фаянсом было сформулировано следующее эмпирическое правило (правило Пескова – Фаянса):

На поверхности кристаллического твердого тела из раствора электролита специфически адсорбируется ион, который способен достраивать его кристаллическую решетку или может образовывать с одним из ионов, входящим в состав кристалла, малорастворимое соединение.

Влияние электролитов на параметры двойного электрического слоя. Индифферентные и неиндифферентные электролиты.

Рассмотрение влияния различных факторов на ζ –потенциал целесообразно начать с наиболее простого и практически чрезвычайно важного случая — введения в систему индифферентных электролитов, т. е. электролитов, не имеющих ионов, способных достраивать кристаллическую решетку коллоидной частицы.

Индифферентный электролит не влияет на потенциал адсорбционного слоя, приводит к уплотнению ДЭС за счет сжатия его диффузной части.

При добавлении к золю индифферентных электролитов потенциал ядра не изменяется, следовательно, общее число противоионов, необходимых для его компенсации, останется прежним, но изменится их распределение в ДЭС. С ростом концентрации электролита, количество противоионов в адсорбционном слое возрастает при неизменной толщине слоя, в диффузном, напротив, уменьшается. В результате диффузный слой сжимается,

z-потенциал понижается

При введении неиндифферентного электролита возможна и перезарядка коллоидных частиц. Сущность такой перезарядки поясним на следующем примере. Рассмотрим, что будет происходить при введении в золь иодида серебра, стабилизованный нитратом серебра, раствора иодида калия. До введения электролита потенциалопределяющим ионом в золе, очевидно, будет ион Ag, а противоионом — ион I Частицы такого золя заряжены положительно. После введёнияв

систему избытка иодида калия потенциалопределяющим ионом станет ион I, а противоионом— ион К. Сами же частицы золя приобретут отрицательный заряд. Кроме того, с помощью неиндифферентного нитрат серебра, содержащийся в дисперсионной среде, вступит в реакцию с введенным иодидом калия, в результате чего в системе; образуется некоторое дополнительное количество отрицательно заряженной дисперсной фазы. Этот случай перезарядки отличается от уже рассмотренного случая перезарядки с помощью чужеродных ионов тем, что здесь происходит изменение не только ζ-,но иφ-.потенциала.

Понятие об электрокинетическом потенциале, влияние на него электролитов.

Потенциал, возникающий на границе разрыва ДЭС называют электрокинетическим потенциалом или x (дзета)-потенциалом. x-потенциал в общем случае всœегда меньше потенциала диффузионного слоя противоионов.

Электрокинетический потенциал зависит от природы поверхности контактирующих фаз. Различают активные и инактивные поверхности. В водной среде активные поверхности образуют полиэлектролиты и другие ионогенные вещества, многие неорганические оксиды (к примеру, SiO2, Al2O3, FeO). Инактивные поверхности в водной характерны для веществ, не образующих ионогенных групп (графит, масли и др.). Заряд на них может возникать в результате адсорбции ионов ПАВ дифильного строения.