Контрольні питання

1. Охарактеризуйте кількісні визначення адсорбції.

2. Що таке ізотерма, ізопікна та ізостера адсорбції.?

3. Який зв’язок між величиною адсорбції і поверхневим натягом?

4. Диференціальна і інтегральна теплота адсорбції.

5. Яка залежність адсорбції від температури та природи газу?

6. Закон і ізотерма адсорбції Генрі.

7. Основні положення теорії і рівняння Ленгмюра .

8. Як графічно визначити параметри ( і ) ізотерми адсорбції Ленгмюра?

9. Як за допомогою граничного значення адсорбції знайти площу, що зайнята однією молекулою адсорбтива ?

10. Як змінюється стала адсорбційної рівноваги (рівняння Ленгмюра) із температурою?

11. Ізотерма адсорбції Фрейндліха .

12. Як графічно визначити постійні ізотерми адсорбції Фрейндліха.

13. Основні положення теорії БЕТ. Рівняння БЕТ.

14. Рівняння швидкості адсорбції , його фізичний зміст.

15. Характеристика і особливості дослідження швидкості адсорбції.

16. Хемосорбція, її порівняння з фізичною адсорбцією.

17. Специфіка адсорбції на різних по розмірам пор пористих тілах.

18. Опишіть залежність тиску пари від кривизни поверхні рідини.

19. Приведіть характерні особливості капілярної конденсації.

3.3 Електричні явища на межі тверде тіло – рідина. Будова міцели

План

1. Електрокінетичні явища

2. Утворення і будова подвійного електричного шару (ПЕШ) на межі тверде тіло – рідина

3.3.2.1 Механізм утворення ПЕШ

3.3.2.2 Термодинамічне співвідношення між поверхневим натягом і електричним потенціалом

3. Теорія будови ПЕШ Гельмгольца-Перрена

4. Теорія будови ПЕШ Гуї-Чепмена

3.3.2.5 Теорія будови ПЕШ Штерна

3.3.3 Вирази для дзета-потенціалу

3.3.4 Вплив різних факторів на дзета-потенціал

3.3.4.1 Вплив індиферентних електролітів

3.3.4.2 Вплив неіндиферентних електролітів

3.3.4.3 Вплив рН-середовища

3.3.4.4 Вплив концентрації колоїдної системи

3.3.4.5 Вплив температури

3.3.4.6 Вплив природи дисперсійного середовища

3.3.5 Міцелярна теорія колоїдних розчинів

3.3.6 Йонообмінна адсорбція

3.3.1 Електрокінетичні явища

У 1808 р. Ф.Ф.Рейсс провів два цікаві досліди, які послужили основою для дальшого дослідження електричних властивостей колоїдних систем. В першому досліді Рейсс заповнив середню частину скляної U-подібної трубки товченим кварцом і налив води. Після підведення постійного електричного струму до електродів, опущених у воду по обидва боки від кварцового порошку, він помітив, що через деякий час рівень води в одному коліні трубки, куди був опущений негативний електрод, підвищився, а в другому – понизився. В другому досліді Рейсс занурив у кусок мокрої глини дві скляні трубки (рис. 3.23), наповнені водою. При замиканні струму він помітив, що частинки глини відриваються від поверхні куска глини і переміщуються до позитивного електроду. Перше явище – перенесення рідини через пісочну діафрагму – одержало назву електроосмосу, друге явище – переміщення частинок в електричному полі – електрофорезу.

Дещо пізніше назву явища електрофорезу класифікували на два: електрофорез, при якому частинки рухаються до катоду, було названо катафорезом; явище, при якому частинки рухаються до аноду, – анофорезом.

У 1859 р. Г.Квінке вдалося отримати ефект, протилежний електроосмосу – при протіканні під тиском рідини через пористу діафрагму виникла різниця потенціалів, пропорційна тискові, під яким протікала рідина. Ця різниця потенціалів отримала назву потенціалу течії (протікання).

Н

Рисунок 3.23 − Схема досліду Рейсса

акінець, у 1878 р. Р.Дорнові вдалося виявити явище, протилежне електрофорезу, – виникнення різниці потенціалів під впливом механічного переміщення твердих частинок у рідині. Цю різницю потенціалів було названо потенціалом осідання (седиментації) або потенціалом Дорна.

Ц і вищерозглянуті чотири явища були названі електрокінетичними (рис.3.24).

В лабораторних умовах електрофорез застосовують для визначення знаку заряду колоїдних частинок.

Електрофорез колоїдних частинок аналогічний рухові йонів у розчині в електричному полі. Він проводиться при високому падінні потенціалу − 8-10 В/см в U-подібній трубці – нижня частина заповнюється досліджуваним золем, а зверху обидва коліна заповнюються однаковим буферним розчином. Якщо золь є кольоровим, то спостереження за переміщенням кольорової межі золь – буферний розчин проводять візуально. Якщо золь безбарвний, то спостереження ведуть за допомогою ультрамікроскопу.

Електрофоретична рухливість частинок відноситься до градієнту потенціалу 1 В/см і розраховується за рівнянням

,

де – шлях, пройдений частинками, см; – час, с; – градієнт потенціалу ( – різниця потенціалів, В; – відстань між електродами, см).

До позитивно заряджених частинок відносяться, наприклад, гідроксиди металів Fe, Al, Th, Ce, TiO₂, основні барвники, білки в кислому середовищі.

Прикладами негативно заряджених частинок можуть бути золі металів Au, Ag, Pt, Cu, сульфіди металів As, Sb, Cd, Pb, сірка, V₂O₅, силікатна і олов’яна кислоти, кислотні барвники, мила, крохмаль, гумус, латекс, білки в лужному середовищі.

Вивчення електрокінетичних властивостей колоїдних систем має важливе теоретичне значення, оскільки дає змогу встановити структуру й типові властивості колоїдів. Разом з тим електрокінетичні властивості являють великий практичний інтерес.

Електрокінетичні явища широко використовуються в науці і техніці. Електрофорез застосовується в лікувальній практиці для введення в організм різних ліків, а також на ряді виробництв:

1) у фарфоровому – для виділення із суспензій глин чистого каоліну. Під впливом струму найдрібніші негативно заряджені частинки каоліну осідають на свинцевому барабані, який заряджений негативно і обертається, а більш великі частинки і шкідливі домішки захоплюються потоком води;

2) в покритті різних поверхонь тонким шаром каучуку (подібно нікелюванню, цинкуванню тощо) із латексу. Негативно заряджені частинки латексу рухаються до аноду, яким служить предмет, що покривається, і охолоджуються на ньому, утворюючи більш-менш товстий шар. За останній час електрофорез застосовується для отримання оксикатодів у виробництві радіоламп;

3) в боротьбі із шкідливими топковими димами і виробничими пилами, а також для вловлювання в заводських трубах цінних відходів виробництва застосовуються спеціальні електрофільтри. Вони являють собою металеві стрижні, заряджені негативно потенціалом в десятки тисяч вольт, внаслідок чого позитивно заряджені тверді частинки диму і пилу осідають на внутрішню поверхню труб. Таким способом очищаються гази від домішок;

4) методом електрофорезу можна характеризувати фракційний склад природних білків, дати характеристику ферментів, вірусів, бактерій, елементів крові тощо.

Електроосмос також застосовується для розв’язання ряду технічних завдань:

1) для електроосмотичного видалення води з просочених нею твердих, подрібнених і пористих тіл, особливо в тих випадках, коли одного тиску недостатньо для зневоднення матеріалів;

2) для електроосмотичного просочування пористих матеріалів розчинами речовин, що підвищують якість цих матеріалів;

3) електроосмотичний метод (електродренування і електровисушування) може служити для пониження рівня води і осушення в анодній зоні ґрунтів. Цей метод можна використовувати як профілактичний засіб у боротьбі зі зсувами (періодичне видалення води з ґрунтів і зсувних схилів), а також для підвищення несучої здатності в основах різних споруд. Останнім часом електроосмотичний метод знаходить застосування в практиці зведення гідротехнічних споруд як один з ефективних методів зневоднення дрібнодисперсних порід (глин, ґрунтів, намулів тощо). Зневоднення проводиться як в процесі земляних робіт, які не можна виконувати в розрідженому ґрунті, так і після зведення споруд гідростанцій, для захисту їх від руйнівної дії підземних вод. Частинки колоїдно-дисперсних ґрунтів заряджені, як правило, негативно, а контактуючий з ним шар води заряджений позитивно. Якщо в таку систему ввести два металеві електроди (один з яких опустити в свердловину), то вода під дією електричного поля буде переміщуватися в свердловину, звідки відкачується глибинним насосом;

4) електроосмотичний метод застосовується в нафтопромисловій справі для просочування гірських порід відповідними розчинами з метою штучної змазки із розрідженого ґрунту для ліквідації прихоплень і затяжок бурового інструменту.

Дуже цікавою, хоча й практично нездійсненною є пропозиція Квінке про використання потенціалу протікання для отримання електричної енергії.

Потенціали протікання виникають при протіканні природних вод в земній корі через ґрунти і гірські породи. В результаті утворюються природні поля. Дослідження цих полів, їх аномалій, зумовлених заляганням рудних тіл, що проводять струм, широко використовуються геофізиками для розвідки корисних копалин.

Дослідження різниці потенціалів на межі тверда фаза – рідина методом електроосмосу або потенціалу протікання дало можливість зробити важливі висновки про стан поверхні різних твердих тіл. Зокрема, для різних ґрунтів було показано, що характер обміну йонів на поверхні, а також ряд інших важливих властивостей ґрунтів, як здатність до набрякання, згортання, агрегативна стабільність, зв’язані з наявністю певного заряду на поверхні частинок, які утворюють колоїдну фракцію ґрунтів.