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 = φ d; либо смещена в жидкую фазу, тогда ζ < φ d. Часто принимают, что ζ = φ d, поскольку теоретические закономерности, предсказанные для φ d, хорошо подтверждаются на опыте в отношении ζ.
Электрокинетический потенциал отражает свойства ДЭС и определяется экспериментально из электрокинетических явлений. Порядок величин ζ в зависимости от состава фаз и концентрации электролита обычно составляет 0,01÷0,1 В.
4.3.1. Определение электрокинетического потенциала из электрокинетических явлений
Знак заряда коллоидной частицы, а также величину электрокинетического потенциала можно вычислить с помощью любого электрокинетического явления.
При наложении электрического поля происходит разрыв ДЭС по плоскости скольжения. Электрическая сила, действующая на частицу при наложении внешнего электрического поля, вызывающая движение заряженной частицы к противоположно заряженному электроду, уравновешивается силой трения возникающей в жидкости
|
|
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 (U 0):
, (4.2)
где U 0 – электрофоретическая подвижность, м2/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/м2; 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 электрофореза запишется:
. (4.6)
Расчет электрокинетического потенциала при электроосмосе ведут по уравнению:
, (4.7)
где – величина электрокинетического потенциала, В; – вязкость среды, Н·с/м2; – 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–1м–1; – объемная скорость электроосмоса, м3/с; I – сила тока, А.
Объемная скорость электроосмоса () – скорость перемещения объема раствора V,(м3) 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)
где – потенциал течения, В; – величина электрокинетического потенциала, В; – вязкость среды, Н·с/м2; – 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–1м–1; р – давление, приводящее жидкость в движение, Н/м2.
Пример 4.1. Вычислите величину электрокинетического потенциала для латекса полистирола, если при электрофорезе смещение цветной границы за 60 мин составляет h = 2,6 см. Напряжение, приложенное в электродам Е = 115 В. Расстояние между электродами l = 55 см. Диэлектрическая проницаемость воды ε = 81, вязкость среды η = 1·10–3 Н·с/м2.
Решение. Для расчета электрокинетического потенциала воспользуемся уравнением (4.6):
.