колоїдна хімія 3

Тема лекції: “ЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

ДИСПЕРСНИХ СИСТЕМ”

Національний фармацевтичний університетКафедра фізичної та колоїдної хімії

Лектор – к. хім. н., доц.

Томаровська Тетяна Олександрівна

ПЛАН ЛЕКЦІЇ:

1. Утворення та будова подвійного електричного шару.

2. Будова колоїдної міцели.

3. Електрокінетичні явища.

4. Значення електрокінетичних явищ.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

ЛІТЕРАТУРА:1. Фізична і колоїдна хімія / В. І. Кабачний, Л. К. Осіпенко, Л. Д.Грицан та ін. – Х. : Прапор, Видавництво УкрФА, 1999. – 368 с.2. Фізична та колоїдна хімія. Збірник задач / В. І. Кабачний,Л. К. Осіпенко, Л. Д. Грицан та ін. – Х. : Вид-во НФАУ; Вид-во ТОВ“Золоті сторінки”, 2001. – 208 с.3. Фізична та колоїдна хімія: Збірник завдань для самостійної роботи:Навч. посібник для студентів заочної (дистанційної) форми навчанняфармацевтичних вузів і факультетів III—IV рівнів акредитації / В. I.Кабачний, Л. К. Осіпенко, Л. Д. Грицан та ін. За ред. В. I. Кабачного. –Х. : Вид-во НФаУ, 2008. – 140 с.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

УТВОРЕННЯ ТА БУДОВА

ПОДВІЙНОГО

ЕЛЕКТРИЧНОГО ШАРУ

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Електричні властивості

високодисперсних систем обумовлені

наявністю на поверхні частинок

дисперсної фази подвійного

електричного шару (ПЕШ) йонів.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

ПЕШ утворюється за рахунок:вибіркової адсорбції одного з йонів

електроліту, який міститься в розчині;поверхневої дисоціації

функціональних груп; орієнтації полярних молекул на

міжфазній поверхні.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Утворення потенціалвизначального

шару йонів за рахунок вибіркової адсорбції

При утворенні золю AgІ за реакцією

між AgNO3 і КI на мікрокристалах AgІ

адсорбуються йони, які добудовують

його кристалічну гратку.

Це йони, які входять до її складу (Ag+,

I), або ізоморфні (Cl, Br, CNS).

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Утворення потенціалвизначального шару йонів внаслідок поверхневої дисоціації функціональних

груп

Поверхневі молекули SiO2 взаємодіють з дисперсійним середовищем, утворюючи полікремнієву кислоту, яка дисоціює:

Н2SiO3 2H+ + ,

при цьому йони Н+ переходять у рідку фазу, а йони

, як більш міцно зв’язані з поверхнею частинок, залишаються в твердій фазі. Отже, у цьому випадку потенціалвизначальними є йони , а протийонами – йони H+.

2

3SiO

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

2

3SiO

2

3SiO

Утворення потенціалвизначального шару йонів внаслідок орієнтації полярних молекул на

міжфазній поверхні

При одержанні водних емульсій вуглеводнів, з

використанням мила як стабілізатора, його молекули

будуть орієнтовані на міжфазній поверхні наступним

чином: вуглеводневі ланцюги спрямовані у бік

дисперсної фази, а полярні групи – до води.

Потенціалвизначальними йонами є аніони

жирних кислот з порівняно довгими вуглеводневими

радикалами, а протийонами – катіони лужного металу.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Протийони, що знаходяться в дисперсійному середовищі, розсіяні на певній відстані.

Декілька перших шарів протийонів притягуються доповерхні частинки під впливом електричного поля і поля адсорбційних сил. Ця частина протийонів утримується зарядженою поверхнею на молекулярній відстані, утворюючи плоский конденсатор, з різким падінням потенціалу. Це адсорбційний шар протийонів (шар Гельмгольца).

Решта протийонів, необхідних для компенсації потенціалвизначальних йонів у результаті теплового розсіювання, утворює дифузний шар (шар Гуї), в якому потенціал падає відносно поступово.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Межа (поверхня) ковзання

0

х

В

/е

0 –

0

хПодвійний електричний

шар Гельмгольца та відповідний стрибок

потенціалу

Подвійний електричний шар та зміна в ньому потенціалу

А

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Моделі ПЕШ1. Г.Гельмгольца (1879) – плоский конденсатор, одна обкладка

якого міститься в твердій фазі, а інша, що несе протилежний заряд – міститься у розчині на дуже малій відстані від першої. Потенціал падає круто (по прямій).

2. Л.Гуї і Д.Чепмена (1910, 1913) – ввели поняття дифузного шару протийонів, сформованного за рахунок протидії електростатичного притяжіння та теплового руху йонів. Потенціал падає не лінійно, а по кривій у зв’язку з тим, що протийони, які компенсують заряд стінки, розподілені нерівномірно.

3. О.Штерна (1924) – розділив шар протийонів на адсорбційний та дифузний. Йони мають певні розміри і центри їх не можуть підійти до поверхні твердої фази ближче, ніж на відстань одного йонного радіусу. Тільки частина протийонів утримується зарядженою поверхнею на відстані йонного радіусу, утворюючи плоский конденсатор. Залишок протийонів розподілений у розчині у вигляді безперервного об’ємного заряду з густиною, яка зменшується до нуля по мірі віддалення від поверхні всередину розчину.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

1 2 3

Моделі ПЕШ1. Г. Гельмгольца;2. Л. Гуї і Д. Чепмена;3. О. Штерна.

БУДОВА КОЛОЇДНОЇ МІЦЕЛИ

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Міцела – структурна одиниця колоїдного розчину, інтерміцелярна рідина – дисперсійне средовище.

Міцела – це мікрокристал дисперсної фази з подвійним електричним шаром, що його оточує. Центральна частина міцели – агрегат;Агрегат з потенціалвизначальними йонами – ядро міцели;Ядро з адсорбційним шаром – колоїдна частинка (гранула), оточена дифузним шаром.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

потенціалвизначальний шарадсорбційний шарm [AgI] K+

K+K+

K+K+

K+

K+K+

K+

K+

K+

K+K+

K+

K+

K+ дифузний шарядроагрегат

гранула

міцела

Схема будови міцели золю AgI, одержанного за реакцією подвійного обміну за умов надлишку KI

Будова колоїдної міцели

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Склад міцели

AgNO3 + KI AgIкр + KNO3

можна представити зручною для написання формулою:

Потенціалвизна-чальний шар

Адсорбційний шар

міцела

{ m [AgI] n I ‑ (n - x)K+} x-x K+

Дифузний шар

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

ЕЛЕКТРОКІНЕТИЧНІ

ЯВИЩА

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Електрокінетичні явища полягають в тому, що частинки або рідина рухаються під дією різниці потенціалів, або навпаки, різниця потенціалів виникає внаслідок руху частинок або рідини.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Класифікація електрокінетичних явищ електрокінетичні явища першого роду – відносне

переміщення фаз під дією різниці потенціалів:

– електрофорез;

– електроосмос; електрокінетичні явища другого роду

виникнення різниці потенціалів внаслідок вимушеного відносного руху фаз:

– потенціал седиментації;

– потенціал протікання.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Електрофорез – рух частинок

дисперсної фази в нерухомому

дисперсійному середовищі.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Різноманітні прилади

для електрофорезу

Електроосмос – рух рідини відносно твердоїповерхні пористих мембран.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Явище електроосмосу використовують у фізіотерапії  для введення в організм лікарських речовин (гальванічні ванни), у фармацевтичній промисловості для очищення колоїдних розчинів від домішок, у харчовій промисловості, будівництві та інш.

Потенціал седиментації – виникнення

різниці потенціалів при русі частинок у

нерухомій рідині.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Потенціал протікання – виникнення

різниці потенціалів при русі рідини

відносно нерухомої твердої поверхні.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Механізм електрофорезу

Під дією електричного поля подвійний шар йонів

розривається на межі ковзання, частинка набуває заряду і

рухається до протилежно зарядженого електрода; протийонидифузного шару рухаються у протилежний бік.

Схема руху частинок при електрофорезі

Схема експериментуРейса з

електрофорезу

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Швидкість електрофорезу залежить від величини електрокінетичного (-дзета) потенціалу і визначається рівнянням Гельмгольца-Смолуховського: ,

де u0 – лінійна швидкість руху фаз; – діелектрична проникність середовища; 0 – діелектрична стала, що дорівнює 8,85·10–12 Ф/м; Е – напруженість електричного поля; – дзета-потенціал; –в'язкість середовища.

Швидкість руху дисперсної фази,віднесена до одиниці напруженостіелектричного поля, називаєтьсяелектрофоретичною рухомістю:де h – шлях дисперсної фази (частинки) за час t; l – відстань між електродами; U – прикладена різниця потенціалів.

Частіше рівняння Гельмгольца-Смолуховського записують відносно -потенціалу:

U t

l h

E t

h

E

uuåôð

00

tUεε

lh

0

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

/ 00 Eu

Експериментально електрофорез досліджують шляхом спостереження за переміщенням окремих частинок в електричному полі за допомогою мікроскопа (мікроелектрофорез), або за переміщенням межі розділу колоїдна система – дисперсійне середовище до одного з електродів (макроелектрофорез). Цей метод називається методом рухомої межі.

Схема приладу для проведения

електрофорезу: 1 – U-подібна трубка, 2 – кран,3 – гумовий шланг, 4 – скляна лійка.

+

1

2

3

4

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

ЗНАЧЕННЯ

ЕЛЕКТРОКІНЕТИЧНИХ ЯВИЩ

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

-потенціал є найважливішим фактором стійкості для колоїдних розчинів і грубодисперсних систем. Зміна стійкості таких систем відбувається симбатно зі зміною -потенціалу.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Дослідження електрофорезувідкрили можливість для характеристики складних природних білків (їх фракційного складу), характеристики ензимів, вірусів, бактерій, формених елементів крові, латексів тощо; електрофорез є фармакопейним методом визначення ступеню чистоти антибіотиків, вітамінів та інших лікарських речовин;за його допомогою лікувальні препарати вводять в організм людини; електрофорез на папері, в агаровому або крохмальному гелі, використовують для розділення і виділення різних лікарських та біологічно активних речовин. електрофорез (фронтальний) – єдиний спосіб прямого визначення абсолютної електрофоретичної рухливості йонів. Компоненти розчину, наприклад, плазми крові, мають різні рухливості і тому при тривалому електрофорезі просторово розділяються. Одержані результати успішно використовуються для діагностики та контролю за перебігом захворювань.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Електрофорез та електроосмос знайшли різноманітні технічні застосування

Електрофорез застосовують у ряді виробництв: для покриття різних металевих поверхонь тонким

шаром каучуку з латексу;у виробництвах, де є шкідливі дими та пил, а також

для утилізації цінних відходів виробництва вживають електрофільтри. Для цього в димові трубки вставляються металеві стержні, заряджені негативно, внаслідок чого заряджені тверді частинки диму і пилу осідають на внутрішню поверхню труб. Таким чином гази очищуються від домішок.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Електроосмос використовують для вирішення низки технічних завдань: для електроосмотичного видалення води з насичених нею твердих роздрібнених тіл, особливо у тих випадках, коли одного тиску недостатньо для зневоднення матеріалів; для просочення пористих матеріалів розчином речовин, що збільшують якість цих матеріалів та ін.

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ

Дякую за увагу!

КАФЕДРА ФІЗИЧНОЇ ТА КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ