Электрокинетические явления в коллоидных системах.

Электрокинетические явления в коллоидно-дисперсных системах и связанное с этими явлениями наличие электрических зарядов у коллоидов открыл Ф. Ф. Рейсс (1808). В опытах Рейсса в кусок влажной глины 1 (рис. 90) были вставлены две стеклянные трубки 4, 5. В полученные таким способом цилиндры с глиняным дном насыпали хорошо промытый кварцевый песок 2 и налили в них до одинакового уровня воду. Опустив в цилиндры электроды от вольтова столба — одного из немногих известных в Рис.6.8

то время источников электрической энергии, включали ток. Через некоторое время под влиянием электрического поля частицы глины, отрываясь от поверхности, стали проходить сквозь песок и двигаться к положительному полюсу (аноду). Следовательно, эти частицы имели отрицательный заряд. В цилиндре с положительным электродом образовалась хорошо заметная суспензия (муть) 3. Одновременно уровень воды в цилиндре с отрицательным электродом (катодом) поднялся, а в цилиндре с положительным электродом опустился, что свидетельствовало о положительном заряде воды.

При дальнейшем изучении этих явлений обнаружилось, что они характерны для коллоидно-дисперсных систем. Движение частиц дисперсной фазы в электрическом поле к противоположно заряженному электроду получило название электрофореза.

Пытаясь определить причины поднятия уровня воды в цилиндре с отрицательно заряженным электродом, Рейсе поставил другой опыт. Он пропускал постоянный ток через прибор, состоящий из U-образной трубки (рис. 91), средняя часть которой была заполнена мелким кварцевым песком. В этом приборе кварцевый песок играл роль пористой диафрагмы. После включения электрического тока уровень воды в колене с отрицательным электродом начал повышаться, а в колене Рис. 6.9 с положительным электродом — понижаться. Это продолжалось до тех пор, пока разность уров­ней в обоих коленах не достигла определенной величины. Многочисленные опыты показали, что, как и при электрофорезе, этот процесс протекает с постоянной скоростью. Причем количество перенесенной жидкости находится в прямой зависимости от приложенной разности потенциалов и диэлектрической проницаемости и обратно пропорционально вязкости этой среды. Впоследствии явление переноса жидкости через пористые диафрагмы и узкие капилляры получило название электроосмоса.

Позднее были открыты еще два электрокинетических явления, противоположные (по движению фаз) электрофорезу и электроосмосу.

Так, Квинке (1859) обнаружил, что при механическом проталкивании воды через пористую диафрагму или через капилляр (что можно осуществить, применяя давление) на противоположных сторонах этой диафрагмы (или на концах капилляра) появляется разность потенциалов, препятствующая протеканию жидкости. Это явление получило название эффекта протекания или эффекта истечения, а возникающая разность потенциалов — потенциала проте­кания.

В 1878 г. Дорн обнаружил другое электрокинетическое явление, которое заключалось в возникновении скачка потенциалов при механическом передвижении твердых частиц в жидкой фазе (в опытах Дорнa — при оседании крупинок песка в воде). Указанное явление обратно электрофорезу и получило название эффекта седиментации, а возникающий скачок потенциала — потенциала седиментации.

Таким образом, приложенная извне э.д.с. вызывает движение фаз: 1) электрофорез, если в Рис.6.10 движение приходит твердая фаза по отношению к неподвижной (в целом) жидкой фазе 2) электроосмос, если приходит в дви­жение жидкая среда по отношению к неподвижной твердой фазе. Механическое передвижение фаз, со своей стороны, вызывает э.д.с: 1) потенциал седиментации, если сообщается движение твердой дисперсной фазе по отношению к неподвижной жидкой; 2) потенциал протекания, если сообщается движение жидкой фазе по отношению к неподвижной твердой фазе (поверхности).

Явления электрофореза и электроосмоса широко используются в технике и производстве. Электрофорез применяется в фарфоровом производстве для выделения из суспензий глин чистого каолина. Наиболее мелкие отрицательно заряженные частицы каолина после тщательного взмучивания в воде осаждаются на вращающемся свинцовом барабане, заряженном положительно. Посторонние примеси в виде положительно заряженных частиц Fе₂О₃, а также более крупные частицы каолина уносятся проточной водой. С помощью электрофореза различные изделия покрывают тонким слоем каучука из латекса. При этом отрицательно заряженные частицы латекса движутся в электрическом поле к аноду (покрываемый предмет) и осаждаются на нем. За последние годы метод электрофореза нашел широкое применение в получении оксикатодов в радиолампах.

Очень большое распространение получил метод инженера Коттреля с применением электрофореза в борьбе с топочными дымами и производственными пылями, а также для улавливания в заводских трубах наиболее ценных отходов производства. В заводских трубах устанавливают специальные металлические стержни, на которые подается отрицательное напряжение (в десятки тысяч вольт). Частицы дыма и пыли имеют одноименный заряд со стержнем и отбрасываются от него с силой на поверхность трубы. Аналогичным способом очищаются газы от всевозможных примесей.

Методы электроосмоса применяются в фильтр-прессах для обезвоживания различных пористых материалов, например торфа, а также для пропитки пористых материалов (например, древесины). В последние годы электроосмос довольно широко применяют для понижения уровня грунтовых вод, а также для осушения грунтов, особенно глинистых, в анодной зоне. Частицы коллоидно-дисперсных грунтов заряжены, как правило, отрицательно. Если в такой грунт ввести два металлических электрода, один из которых (отрицательно заряженный) опустить в специально пробуренную скважину, вода под действием электрического поля будет перемещаться в скважину, откуда ее можно откачивать глубинным насосом.

Применяется электроосмос и в сельскохозяйственном производстве. В частности, сделана попытка использовать электроосмотическую подачу воды к лемеху плуга в целях уменьшения трения между плугом и почвой при пахоте. Благодаря этому, как показали исследования, эффект уменьшения трения достиг примерно 80%.

Электроосмос применяется также при производстве кирпича для смачивания проволоки, режущей глиняные заготовки. При этом проволоку соединяют с отрицательным, а брусок глины — с положительным полюсом.

Детальное исследование электрокинетических явлений коллоидно-дисперсных систем позволило сделать ряд общих выводов.

1). Все золи по знаку заряда их дисперсной фазы при явлениях электрофореза и электроосмоса могут быть разделены на положительно и отрицательно заряженные. Положительный заряд дисперсных частиц имеют гидрозоли таких гидроксидов, как Fe(OH)₃, Аl(ОН)₃, а также водные растворы основных красителей (метиленовый синий, метиленовый зеленый, основной фуксин) и др. Отрицательный заряд частиц дисперсной фазы имеют гидрозоли золота, серебра, платины, а также водные растворы кислых красителей (эозин, флуоресцеин, кислый фуксин).

2). Электрофорез и электроосмос в золях не являются процессами односторонними. Оба они представляют собой единство двух противоположных процессов.

3). При наличии определенных условий во многих случаях коллоидные частицы в золях могут перезаряжаться, т. е. менять свой знак заряда на обратный.

4). Величина и знак заряда, которые несет на себе коллоидная частица, также меняются в зависимости от концентрации самого золя и от концентрации (а также от природы) посторонних ионов, присутствующих в золях.