ЭлектропроводностьХарактеристика, определяющая способность материала проводить электрический ток
Классическая теория Гельмгольца
При рассмотрении электрокинетических явлений Гельмгольц исходил из следующих упрощающих предположений: двойной электрический слой можно представить в виде плоскопараллельного конденсатора, внутренняя обкладка которого образована зарядами твердого тела, внешняя зарядами, локализованными в жидкости; толщина этого конденсатора, имея размеры близкие к молекулярным, такова, что ДС включает несколько молекулярных слоев и он значительно меньше радиуса капилляра;

Слой молекул жидкости, непосредственно прилегающий к твердой поверхности, при электрокинетических явлениях остается неподвижным, тогда как следующие слои сано обычными уравнениями гидродинамики; стенка является изолятором, а жидкость обладает свойством электролитической проводимости; задаваемая извне разность потенциалов суммируется как аддитивная величина с перепадом потенциала в двойном слое.

Это означает, что внешнее поле не деформирует ДС, не нарушает его равновесного строения, несмотря на то, что внешнее поле обеспечивает непрерывное перемещение заряженного слоя жидкости вдоль поверхности. Физическая предпосылка, оправдывающая эту идеализацию, состоит в следующем. Хотя внешнее поле непрерывно смещает ДС от строго равновесного состояния, взаимодействие между обкладками ДС столь велико, что равновесие в ДС успевает восстановиться.

Направление возникающего электрического поля при одном и том же направлении фильтрации жидкости для всех этих материалов совпадало. При изменении направления фильтрации изменялось и направление электрического поля.

Как и в случае электроосмоса, добавление кислот или солей уменьшало, а соответственно добавление дистиллированной воды или алкоголя увеличивало эффект. Было также установлено, что потенциал течения возникает лишь в присутствии диафрагмы и что он не зависит от размеров диафрагмы (ее сечения и толщины) и количества фильтруемой жидкости.

Как и в случае электроосмоса, была установлена линейная зависимость между объемной скоростью фильтрации и возникающей разностью потенциалов. Таким образом, характеристикой эффекта является отношение разности потенциалов к объемной скорости фильтрации. Эта характеристика в ряде исследованных Квинке материалов изменялась почти на три порядка.

Поскольку причиной электроосмоса является силовое воздействие электрического поля на заряженный слой жидкости, граничащий с поверхностью твердого тела, ясна принципиальная возможность наблюдения электроосмоса не только в случае пористой диафрагмы, но и в случае единичного капилляра. Между тем, последний случай представляется наиболее интересным, так как эффект здесь реализуется в наиболее простых условиях, что должно существенно облегчить создание количественной теории.

Действительно, открытие и исследование Квинке (1861) электроосмоса в единичном капилляре в дальнейшем стимулировало разработку теории электрокинетических явлений Гельмгольцем. В случае единичного капилляра методически более удобным оказалось изучение не собственно стационарного электроосмоса, а высоты электроосмотического подъема жидкости в наклонном капилляре, которую измеряли с высокой точностью с помощью микроскопа.

Проводя подобные измерения па серии капилляров различного радиуса и достаточно большой длины, Квинке установил, что высота электроосмотического подъема при прочих фиксированных параметрах обратно пропорциональна квадрату радиуса. В дальнейшем на единичном капилляре удалось наблюдать также и потенциал течения, причем была установлена линейная зависимость потенциала течения от перепада давления.

Подобно тому, как электроосмосу соответствует обратный эффект потенциал течения, должен существовать эффект, обратный электрофорезу, возникновение электрического поля при механическом движении частиц через жидкость. Первое количественное наблюдение подобного эффекта, названного седиментационным потенциалом, осуществлено Дорном (1878). Дорну удалось зафиксировать возникновение разности потенциалов в трубке, заполненной дистиллированной водой, при центрифугировании суспензии кварца.

В результате исследований Квинке и других ученых уже в семидесятых годах прошлого столетия стало ясно, что электрокинетические явления и соответственно наличие поверхностных зарядов на границе с жидкостью и является скорее правилом, чем исключением, так как практически каждое исследованное неорганическое и органическое вещество обнаруживало заряд при контакте с жидкостью, в особенности с дистиллированной водой. Как правило, при контакте с дистиллированной водой, поверхность обнаруживала отрицательный заряд. Между тем, контактируя с другими жидкостями, например турпентиновым маслом, частицы часто приобретают и положительный заряд.

Некоторые жидкости (например, эфир, костное масло) не способны обеспечивать поверхностную электризацию. Квинке ввел более последовательное представление об электрическом строении межфазной границы, ответственной за электрокинетические явления. Поскольку в результате контакта двух фаз электрические заряды не возникают и не исчезают, а только перераспределяются между фазами, граничащие фазы должны приобрести заряды противоположного знака, но равной величины.

Образуется система зарядов, получившая наименование электрического двойного слоя (ДС) и возникает разность потенциалов между поверхностью и жидкостью. Знак и величина заряда Q и соответственно межфазной разности потенциалов зависит от структуры поверхности и жидкости. Универсальность электрокинетических явлений, формулирование более четких представлений об электрической структуре (двойной слой) межфазной границы,

Многообразие проявлений ДС в разновидностях электрокинетических явлений, открытие электрокинетических явлений в простейшей системе в единичном капилляре, растущее понимание важности раскрытия механизма электрокинетических явлений для получения источника информации о двойном слое и химии поверхности все это создало необходимые предпосылки для разработки теории уже в конце XIX века. Подобная теория, по существу формальная и независящая от механизма образования двойного электрического слоя, впервые была предложена Гельмгольцем.


Спонсор публикации:
 
 
© 2009-2011 Копирование запрещено
При копировании информации обратная ссылка обязательна