7.2. Двойной электрический слой и ζ-потенциал

На поверхности твердого тела при его контакте с жидкостью самопроизвольно возникает избыточный электрический заряд, который компенсируется противоионами. В результате на границе раздела фаз Т–Ж формируется двойной электрический слой. Образование двойного электрического слоя происходит самопроизвольно, как следствие стремления поверхностной энергии к минимуму и в связи с особыми свойствами границы раздела Т–Ж. Наличие на поверхности раздела фаз двойного электрического слоя – это основа всех электрокинетических явлений.

Строение двойного электрического слоя приведено на рис. 7.1 Возникающий при этом термодинамический потенциал () резко падает в адсорбционном слое и постепенно до нуля в диффузном слое. Та часть всего потенциала, которая приходится на диффузный слой, называется электрокинетическим потенциалом или  - потенциалом (дзета – потенциалом). Т.е. разность потенциалов между подвижной (диффузной) и неподвижной (адсорбционной) частями двойного электрического слоя называется электрокинетическим или  - потенциалом.

Рис. 7.1 Схема двойного электрического слоя

a – адсорбционный слой; b – диффузный слой;

ζ – электрокинетический потенциал; А-А – граница скольжения.

Дзета-потенциал является важнейшей характеристикой двойного электрического слоя: он определяет возможность и скорость относительного перемещения дисперсной фазы и дисперсионной среды, интенсивность электрокинетических явлений, устойчивость золей и разрушение дисперсных систем электролитами. Изменение ζ-потенциала зависит от свойств среды и наличия в ней противоионов.

Двойной электрический слой и ζ-потенциал как его основная характеристика формируются на твердых поверхностях, окруженных раствором электролитов, а также при образовании мицелл. Мицелла — это электрически нейтральная коллоидная частица, которая в отличие от других коллоидных систем образуется в результате взаимодействия растворенных веществ.

Все электрокинетические явления связаны с относительным перемещением дисперсной фазы и дисперсионной среды, осуществляемой по границе скольжения. Их интенсивность определяется значением ζ-потенциала. Поэтому данную величину используют для оценки электрокинетических явлений.

Измерив скорость движения частиц и зная градиент потенциала приложенного электрического поля, можно вычислить электрофоретическую подвижность частиц.

Электрофоретической подвижностью (U) называют путь, который проходят частицы в секунду при градиенте потенциала 1 .

Электрофоретическая подвижность рассчитывается по уравнению:

(6.11)

где h – путь, пройденный частицами, м;

τ - время, с;

- градиент потенциала внешнего электрического поля; Е – напряжение, В; – расстояние между электродами, м.

Согласно уравнению Гельмгольца–Смолуховского, электрофоретическая подвижность прямо прополрциональна электрокинетическому потенциалу частиц () и обратно пропорциональна вязкости жидкости (η):

или , (6.12)

где η – вязкость воды, η = 10^-3 Пас;

ε – относительная диэлектрическая проницаемость воды, ε = 81;

ε₀ – электрическая постоянная (абсолютная диэлектрическая проницаемость в вакууме), ε₀ = 8,85×10^-12 (Ф – фарада, единица измерения емкости, ).