Коллоидная химия

1. Тема лекции:
“ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ”
Национальный фармацевтический университет
Кафедра физической и коллоидной химии
Лектор – к. хим. н., доц.
Томаровская Татьяна Александровна

2. ПЛАН ЛЕКЦИИ:
1. Образование и структура двойного
электрического слоя.
2. Строение коллоидной мицеллы.
3. Электрокинетические свойства.
4. Значение электрокинетических явлений.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

3. ЛИТЕРАТУРА:
1. Физическая и коллоидная химия / В. И. Кабачный, Л. К. Осипенко,
Л. Д. Грицан и др. – 2-е изд., перераб. и доп. – Х. : Изд-во НФаУ, 2010.
– 432 с.
2. Сборник задач по физической и коллоидной химии /
В. И. Кабачный, Л. К. Осипенко, Л. Д. Грицан и др. – Х. : Изд-во
НФАУ, 2000. – 224 с.
3. Физическая и коллоидная химия. Сборник заданий для
самостоятельной работы: Учебное пособие для студентов заочной
(дистанционной) формы обучения фармацевтических вузов и
факультетов III-IV уровней аккредитации / В. И. Кабачный,
Л. К. Осипенко, Л. Д. Грицан и др. ; под ред. В. И. Кабачного. –
Харьков : Изд-во НФаУ, 2003. – 136 с.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

4. ОБРАЗОВАНИЕ И СТРУКТУРА
ДВОЙНОГО
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СЛОЯ
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

5. Электрические свойства
высокодисперсных систем обусловлены
наличием на поверхности частиц
дисперсной фазы двойного
электрического слоя (ДЭС) ионов.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

6. ДЭС образуется за счёт:
избирательной адсорбции одного из
ионов электролита, содержащегося в
растворе;
поверхностной диссоциации
функциональных групп;
ориентации полярных молекул на
межфазной поверхности.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

7. Образование потенциалопределяющего
слоя ионов за счёт избирательной
адсорбции
При образовании золя AgІ по реакции
между AgNO3
и КI на микрокристаллах
AgІ адсорбируются ионы, достраивающие
его кристаллическую решётку.
Это ионы, входящие в её состав (Ag+
,
I−
), или изоморфные (Cl−
, Br−
, CNS−
).
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

8. Образование потенциалопределяющего слоя ионов
вследствие поверхностной диссоциации
функциональных групп
Поверхностные молекулы SiO2
взаимодействуют с
дисперсионной средой, образуя поликремниевую
кислоту, которая диссоциирует:
Н2
SiO3
2H+
+ ,
при этом ионы Н+
переходят в жидкую фазу, а ионы
, как более прочно связанные с поверхностью
частиц, остаются в твердой фазе. Следовательно, в
этом случае потенциалопределяющими являются ионы
, а противоионами – ионы H+
.
−2
3SiO
−2
3SiO
−2
3SiO
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

9. Образование потенциалопрелеяющего слоя ионов
вследствие ориентации полярных молекул на
межфазной поверхности
При получении водных эмульсий углеводородов, с
использованием мыла как стабилизатора, его молекулы
будут ориентированы на межфазной поверхности
следующим образом: углеводородные цепи направлены
в сторону дисперсной фазы, а полярные группы – к
воде.
Потенциалопределяющими ионами являются анионы
жирных кислот со сравнительно длинными
углеводородными радикалами, а противоионами –
катионы щелочного металла.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

10. Противоионы, находящиеся в дисперсионной среде,
рассеяны на определённом расстоянии.
Несколько первых слоёв противоионов
притягиваются к поверхности частицы под влиянием
электрического поля и поля адсорбционных сил. Эта
часть противоионов удерживается заряженной
поверхностью на молекулярном расстоянии, образуя
плоский конденсатор, с резким падением потенциала.
Это адсорбционный слой противоионов (слой
Гельмгольца).
Остаток противоионов, необходимых для
компенсации потенциалопределяющих ионов в
результате теплового рассеивания, образует
диффузный слой (слой Гуи), в котором потенциал
падает соответственно постепенно.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

11. Граница
(поверхность)
скольжения
ϕ0
х
δ
В
↔ϕδ/е
ζ
ϕδ
ϕ0 – ϕδ
λ
ϕ0
хδ
Двойной электрический
слой Гельмгольца и
соответствующий
скачок потенциала
Двойной электрический слой и
изменение потенциала
в нём
ϕ ∆
Аϕ
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

12. Модели ДЭС
1. Г.Гельмгольца (1879) – плоский конденсатор, одна обкладка
которого находится в твердой фазе, а другая, несущая
противоположный заряд – содержится в растворе на очень
маленьком расстоянии от первой. Потенциал падает круто (по
прямой).
2. Л.Гуи и Д.Чепмена (1910, 1913) – ввели понятие диффузного
слоя противоионов, сформированного за счёт противодействия
электростатического притяжения и теплового движения ионов.
Потенциал падает нелинейно, а по кривой вследствие того, что
противоионы, компенсирующие заряд стенки, распределённые
неравномерно.
3. О.Штерна (1924) – разделил слой противоионов на
адсорбционный и диффузный. Ионы имеют определённые
размеры и центры их не могут подойти к поверхности твердой
фазы ближе, чем на расстояние одного ионного радиуса.
Только часть противоионов удерживается заряженной
поверхностью на расстоянии ионного радиуса, образуя плоский
конденсатор. Остаток противоионов, распределённый в
растворе в виде непрерывного объёмного заряда с плотностью,
уменьшается до нуля по мере удаления от поверхности внутрь
раствора.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

13. 1 2 3
Модели ДЭС
1. Г. Гельмгольца;
2. Л. Гуи и Д. Чепмена;
3. О. Штерна.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

14. СТРОЕНИЕ КОЛЛОИДНОЙ
МИЦЕЛЛЫ
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

15. Мицелла – структурная единица коллоидного
раствора, интермицеллярная жидкость –
дисперсионная среда.
Мицелла – это микрокристалл дисперсной фазы
с окружающим его двойным электрическим слоем.
Центральная часть мицеллы – агрегат;
Агрегат з потенциалопределяющими ионами –
ядро мицеллы;
Ядро с адсорбционным слоем – коллоидная
частица (гранула), окружённая диффузным
слоем.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

16. потенциалопределяющий
слой
адсорбционный слойm [AgI] K+
K+
K+
K+K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+K+
K+
K+
K+
диффузный слойядро
агрегат
гранула
мицелла
Схема строения мицеллы золя AgI, полученного по реакции
двойного обмена в избытке KI
Сторение коллоидной мицеллы
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

17. Состав мицеллы
AgNO3 + KI → AgIкр + KNO3
можно представить удобной для написания
формулой:
Потенциалопреде-
ляющий слой
Адсорбционный
слой
мицелла
{ m [AgI] n I ‑
(n - x)K+
}x-
x K+
Диффузный слой
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

18. ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ
ЯВЛЕНИЯ
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

19. Электрокинетические явления
состоят в том, что частицы или жидкость
двигаются под действием разницы
потенциалов, или наоборот, разница
потенциалов возникает вследствие
движения частиц или жидкости.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

20. Классификация электрокинетических явлений
 электрокинетические явления первого рода –
относительное перемещение фаз под действием
разницы потенциалов:
– электрофорез;
– электроосмос;
 электрокинетические явления второго рода
возникновение разницы потенциалов вследствие
вынужденного относительного движения фаз:
– потенциал седиментации;
– потенциал протекания.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

21. Электрофорез – движение частиц
дисперсной фазы в неподвижной
дисперсионной среде.
Разнообразные
приборы
для
электрофореза
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

22. Электроосмос – движение жидкости относительно
твердой поверхности пористых мембран.
Явление электроосмоса используют в физиотерапии
для введения в организм лекарственных веществ
(гальванические ванны), в фармацевтической
промышленности для очистки коллоидных растворов от
примесей, в пищевой промышленности, строительстве и др.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

23. Потенциал седиментации –
возникновение разницы потенциалов при
движении частиц в неподвижной
жидкости.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

24. Потенциал протекания –
возникновение разницы потенциалов
при движении жидкости относительно
неподвижной твердой поверхности.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

25. Механизм электрофореза
Под действием электрического поля двойной слой ионов
разрывается на границе скольжения, частица принимает заряд и
двигается до противоположно заряженного электрода; противоионы
диффузного слоя двигаются в противоположную сторону.
Схема движения частиц при
электрофорезе
Схема эксперимента
Рейса по
электрофорезу
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

26. Скорость электрофореза зависит от величины
электрокинетического (ζ-дзета) потенциала и определяется
уравнением Гельмгольца-Смолуховского: ,
где u0 – линейная скорость движения фаз; ε – диэлектрическая
проницаемость среды; ε0 – диэлектрическая постоянная, равная
8,85·10–12
Ф/м; Е – напряжённость электрического поля; ζ – дзета-
потенциал; η − вязкость среды.
Скорость движения дисперсной фазы,
соотнесённая к единице напряженности
электрического поля, называется
электрофоретической подвижностью:
где h – путь дисперсной фазы (частицы) за время t; l – расстояние
между электродами; U – приложенная разница потенциалов.
Чаще уравнение Гельмгольца-Смолуховского записывают
оносительно ζ-потенциала:
η
ζεε00
эфп ====
Ut
lh
Et
h
E
u
u
tUεε
lh
0
η
ζ =
ηζεε /00 Eu =
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

27. Экспериментально электрофорез
исследуют путём наблюдения за
перемещением отдельных частиц в
электрическом поле с помощью
микроскопа (микроэлектрофорез),
или за перемещением границы разделу
коллоидная система – дисперсионная
среда к одному из электродов
(макроэлектрофорез). Этот метод
называется методом подвижной
границы.
Схема прибора для
проведения
электрофореза:
1 – U-образная трубка,
2 – кран,
3 – резиновый шланг,
4 – стеклянная лейка.
+
1
2
3
4
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

28. ЗНАЧЕНИЕ
ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ
ЯВЛЕНИЙ
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

29. ζ-потенциал является важнейшим фактором
устойчивости для коллоиднвх растворов и
грубодисперсных систем. Изменение
устойчивости таких систем происходит
симбатно с изменением ζ-потенциала.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

30. Исследования электрофореза
открыли возможность для характеристики сложных
природных белков (их фракционного состава), энзимов, вирусов,
бактерий, форменных элементов крови, латексов и др.;
электрофорез является фармакопейным методом определения
степени чистоты антибиотиков, витаминов и других
лекарственных веществ;
с его помощью лечебные препараты вводят в организм
человека;
электрофорез на бумаге, в агаровом или крахмальном геле,
используют для разделения и выделения разных лекарственных
и биологически активных веществ.
электрофорез (фронтальный) – единственный способ прямого
определения абсолютной электрофоретической подвижности
ионов. Компоненты раствора, например, плазмы крови, имеют
разные подвижности и поэтому при длительном электрофорезе
пространственно разделяются. Полученные результаты успешно
используются для диагностики и контроля за течением
заболеваний.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

31. Электрофорез и электроосмос нашли
разнообразное техническое применение
Электрофорез используют в ряде производств:
 для покрытия разных металлических поверхностей
тонким слоем каучука с латекса;
в производствах, где есть вредные дымы и пыль, а
также для утилизации ценных отходов
производства используют электрофильтры. Для
этого в дымовые трубки вставляются
металлические стержни, заряженные отрицательно,
вследствие чего заряженные твёрдые частицы дыма
и пыли оседают на внутреннюю поверхность труб.
Таким образом газы очищаются от примесей.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

32. Электроосмос используют для решения ряда
технических заданий:
 для электроосмотического удаления воды из
насыщенных ей твёрдых измельчённых тел, особенно в
тех случаях, когда одного давления недостаточно для
обезвоживания материалов;
 для пропитки пористых материалов растворами
веществ, увеличивающих качество этих материалов.
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

33. Спасибо за внимание!
КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ