Двойной электрический слой (ДЭС)

Происхождение, структура и роль зарядов в дисперсных системах объясняются с позиций теории двойного электрического слоя. Согласно этой теории на границе между твердым телом и раствором формируется тонкий поверхностный слой пространственно разделенных электрических зарядов противоположного знака.

Причины возникновения ДЭС:

1. Диссоциация соединений, входящих в состав твердой фазы.

На поверхности частичек кремнезема образуется кремневая кислота:

SiO₂ + H₂O → H₂SiO₃

При диссоциации ее в прилегающий раствор выходят ионы водорода, а поверхность, с которой связаны гидросиликат-ионы, заряжается отрицательно:

H₂SiO₃→ H⁺ + HSiO₃^-

2. Поверхностные заряды часто возникают вследствие адсорбции ионов из раствора. Этот процесс носит избирательный (селективный) характер.

В соответствии с правилом Панета—Фаянса твердая поверхность предпочтительно адсорбирует те ионы, которые в состоянии достраивать ее кристаллическую решетку.

Ионы, обуславливающие заряд поверхности называются потенциалопределяющими. Противоположные по знаку ионы – противоионы. Суммарный заряд потенциалопределяющих и противоионов равен нулю. Часть противоионов образуют плотный или адсорбционный слой противоионов, остальные расположены на большем расстоянии от поверхности, образуя диффузионный слой.

Адсорбированные ионы обусловливают изменение электрического потенциала на поверхности частицы по сравнению с объемом дисперсионной среды, которое называют межфазовым потенциа­лом ε. Сами же ионы называют потенциалопределяющими.

Структура коллоидных частиц

На примере золя иодида серебра, получаемого взаимодействием разбавленных растворов нитрата серебра с избытком иодида калия:

Ag⁺+NO₃^-+K⁺+I^- ® AgI+K⁺+NO^-

Образующиеся молекулы труднорастворимого в воде AgI объединяются в отдельные мельчайшие кристаллики новой фазы — ядра коллоидных частиц.

Согласно правилу Панета — Фаянса ядро адсорбирует из раствора ионы иода (эти ионы в избытке в отличие от ионов серебра), приобретая тем самым отрицательный заряд, а ионы калия остаются в растворе. Так возникает двойной электрический слой, у которого плотная, устойчивая часть состоит из потенциал-определяющих иодид-ионов и адсорбционного слоя противоионов — ионов калия. Вместе с ядром они образуют гранулу, заряженную отрицательно. За пределами гранулы находится диффузный слой. Весь комплекс — кристаллик дисперсной фазы AgI с окружающим его двойным электрическим слоем, называют мицеллой.

Мицелла как отдельная частица коллоидной системы не имеет строго оп­ределенного состава. В ее формуле коэффициенты т, п и x могут изменяться в довольно широких пределах в зависимости от концентрации исходных ра­створов и других факторов. Мицелла в целом электрически нейтральна. Из этого условия определяется число ионов в диффузном слое.

Однако в ряде ситуаций мицелла может терять часть диффузного слоя. Например, при перемещении мицелл в результате броуновского движения. В этом случае гранула сохраняет свой состав, а часть ионов диффузного слоя теряет связь с мицеллой и остается в дисперсионной среде. В итоге возникает электрический потенциал – так называемый дзета-потенциал -ς

Если коллоидный раствор поместить во внешнее электрическое поле, то коллоидные частицы будут перемещаться к тому электроду, заряд которого противоположен по знаку заряду гранулы (электрофорез).

И другое электрокинетическое явление — электроосмос — также может быть объяснено с позиций теории двойного электрического слоя. Пусть жидкость, содержащая ионы, находится в капилляре; На границе раздела фаз вдоль стенок капилляра формируется двойной электрический слой с толщиной диффузной зоны намного меньшей, чем диаметр капилляра. Примем также, что поверхность капилляра заряжена отрицательно. Если к электродам приложить разность потенциалов, то ионы диффузного слоя, слабо связанные с поверхностью капилляра, станут двигаться к противоположно заряженному электроду. Вследствие молекулярного трения эти ионы, перемещаясь сами, будут увлекать за собой прилегающий к ним слой жидкости.