|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Применение электрофореза и электроосмоса
Электрокинетические явления широко используются в науке и технике. Наибольшее их практическое применение связано с нанесением покрытий на различные поверхности электрофоретическим методом. Данный метод позволяет получать равномерные покрытия на деталях сложной конфигурации благодаря его высокой кроющей способности. При проведении электрофореза, как правило, одним из электродов является покрываемая деталь, а другим – емкость, заполняемая суспензией, дисперсная фаза которой наносится на поверхность детали. Процесс электрофореза нанесения покрытий состоит из ряда сопряженных стадий: направленное перемещение заряженных частиц в электрическом поле, коагуляция их на электроде, электродные химические реакции. После формирования покрытия на электроде, наблюдается электоосмос, в результате которого жидкость выходит из покрытия и оно становится более плотным. В нашей стране успешно эксплуатируются автоматические линии грунтовки кузовов автомобилей электрофоретическим методом. Применение таких линий позволило резко увеличить эффективность процесса грунтовки, улучшить качество окраски, сократить расходы краски. Электрофоретический метод широко применяется для покрытия катодов радиоламп, полупроводниковых деталей, нагревателей и т.д. Электрофорез используется в медицине, в биологии, при выявлении биохимической и физиологической роли различных высокомолекулярных соединений. В современной вычислительной технике, в автоматизированных системах управления и обслуживания электрофорез используется для изготовления дисплейных приборов – выходных устройств отображения информации, обеспечивающих визуальное изображение. Электрофоретические дисплеи (ЭФД) обладают рядом преимуществ перед другими типами дисплеев: высокой контрастностью; длительностью срока службы (до 108 переключений); малым расходом энергии (токи ~ 0, 1 мА/см2, V ~ 0, 5В); малыми размерами элемента (0, 2 мм), позволяющими использовать их, например, для создания " электронной газеты" с длительной и твердой памятью. Практическое применение электроосмоса ограничено из-за большого расхода электроэнергии. Тем не менее, это явление используется для удаления влаги при осушке различных объектов (стен зданий, сыпучих материалов, при строительстве плотин, дамб и т.д.), для пропитки материалов различными веществами. При электроосмотической осушке в объект вводят электроды, представляющие собой полые металлические трубы с отверстиями. В замкнутой электрической цепи происходит электроосмотический перенос жидкости к определенному электроду, которая собирается в нем, затем ее откачивают насосом. Все большее значение приобретает электроосмотическая фильтрация, сочетающая в себе два процесса: фильтрацию под действием приложенного давления и электроосмотический перенос жидкости в электрическом поле. В аналитической химии используется метод капиллярного электрофореза. Причины возникновения заряда на поверхности Частиц
В курсе физической химии доказывается, что критерием равновесного сосуществования обменивающихся незаряженными частицами фаз 1 и 2 является равенство химических потенциалов: mi(1) = mi(2). Обратимся теперь к системам, в которых устанавливается равновесие между фазами, содержащими заряженные частицы. Равновесный обмен заряженными частицами не должен вызывать энергетических изменений в системе в целом. В этом случае, кроме химического потенциала, в критерий равновесия должна входить составляющая, учитывающая электростатические эффекты. Энергетической характеристикой электростатического взаимодействия иона с другими зарядами фазы служит внутренний потенциал фазы. По определению, внутренний потенциал принимается равным работе переноса элементарного отрицательного заряда из бесконечности в вакууме вглубь данной фазы. Обозначим внутренние потенциалы фаз 1 и 2 соответственно g(1) и g(2). Условие равновесия при обмене заряженными частицами записывается в виде равенства: mi(1) + zFg(1) = mi(2) + zFg(2) (9.102) где z – заряд иона, переходящего из одной фазы в другую; F – постоянная Фарадея. Сумма m + zFg = mэ.х. называется электрохимическим потенциалом. Внутренний потенциал (как и электрохимический, и химический потенциалы) устанавливается с точностью до постоянной, так как все измерения позволяют определить только разность потенциалов. С достижением равновесия при обмене ионами появляются разные по знаку заряды фаз. Существенно то, что распределение зарядов по объему каждой фазы неравномерно. Под действием электростатического притяжения разноименные ионы стремятся концентрироваться у межфазной поверхности, поэтому у границы раздела фаз плотность зарядов максимальна. Возникшая таким путем система пространственно разделенных зарядов на границе раздела фаз называется двойным электрическим слоем (ДЭС). Двойной электрический слой образуется на поверхности металлов, нерастворимых в воде кристаллов соли, кварца и других материалов при их погружении в воду или в водные растворы в результате перехода ионов из одной фазы в другую. Различают ионизационный путь возникновения ДЭС, когда ионы с поверхности частиц переходят в раствор, и адсорбционный путь, когда на поверхности частиц адсорбируются ионы из раствора. Рассмотрим несколько примеров ионизационного пути возникновения ДЭС. Двойной электрический слой образуется, например, на межфазной поверхности между водой и малорастворимым хлоридом серебра. При растворении хлорида серебра в воду преимущественно переходят катионы серебра, так как они сильнее гидратируются, чем хлорид-ионы. В результате поверхность хлорида серебра будет иметь некоторый избыток отрицательных ионов хлора (потенциалопределяющих ионов), который нейтрализуется избытком положительных ионов серебра в прилегающем водном слое (противоионов). Ионизационный путь возникновения ДЭС реализуется также в водных золях диоксида кремния. Молекулы SiO2, находящиеся на поверхности, взаимодействуют с молекулами воды, образуя кремниевую кислоту. Эта слабая кислота диссоциирует: H2SiO3 Û HSiO3- + H+
При этом силикатные частицы прочно удерживаются на поверхности (поверхность заряжается отрицательно), а катионы водорода переходят в раствор и притягиваются к поверхности за счет электростатического притяжения. Образуется двойной электрический слой. Аналогично за счет диссоциации поверхностных молекул возникает ДЭС на любых стеклянных поверхностях. На поверхности металлических частиц в водных растворах также образуется ДЭС. Катионы некоторых металлов, образующие его кристаллическую решетку, способны переходить в раствор. При этом поверхность металла заряжается отрицательно, а положительно заряженные катионы металла из раствора притягиваются к отрицательно заряженной поверхности, возникает ДЭС – система пространственно разделенных зарядов. Рассмотрим несколько примеров адсорбционного пути возникновения ДЭС. Адсорбция ионов из раствора происходит в соответствии с правилом Пескова – Фаянса – Панета, согласно которому кристаллическую решетку могут достраивать только те ионы, которые входят в ее состав. Рассмотрим в качестве примера два случая:
1.Избыток КСI 2. Избыток AgNO3
При взаимодействии нитрата серебра с хлоридом калия в осадок выпадают нерастворимые в воде частицы хлорида серебра. В зависимости от того, какое из реагирующих веществ было взято в избытке, на поверхности кристаллов AgCl будут адсорбироваться либо анионы Cl – (в первом случае), либо катионы Ag+ (во втором случае), которые способны достраивать кристаллическую решетку за счет химических связей. Поверхность частицы заряжается в первом случае отрицательно, во втором случае положительно. Из раствора к поверхности частиц притягиваются противоположно заряженные ионы (противоионы K+ или NO3-). На границе раздела фаз возникает ДЭС. Двойной электрический слой может образоваться также при избирательной адсорбции в межфазном слое ионов электролитов, не входящих в состав веществ, образующих фазы, т.е. в результате адсорбции примесей. Например, добавление в систему металл - вода раствора хлорида натрия приводит к избирательной адсорбции хлорид-ионов на поверхности металла. Появляется избыточный отрицательный заряд на поверхности металла и избыточный положительный заряд (ионы натрия) в близлежащем слое раствора, т.е. на межфазной поверхности образуется двойной электрический слой. Другой механизм образования двойного электрического слоя состоит в том, что если вещества, составляющие фазы системы, не способны обмениваться зарядами, то ДЭС может образовываться благодаря адсорбционной ориентации полярных молекул, находящихся в растворе. Полярные молекулы могут располагаться определенным образом на поверхности, образуя слой ориентированных диполей (рис. 9.52). Для определения знака заряда на поверхности в этом случае можно воспользоваться правилом Кена. Согласно этому правилу из двух соприкасающихся фаз положительно заряжается та, которая имеет большую диэлектрическую проницаемость. Именно поэтому многие вещества, находящиеся в контакте с водой, имеющей большую диэлектрическую проницаемость, заряжаются отрицательно.
Рис. 9.52.Адсорбционная ориентация полярных молекул
Учитывая, что свою роль в образовании двойного электрического слоя может сыграть каждый из приведенных факторов, разность внутренних потенциалов фаз 1 и 2 представляют обычно как сумму трех составляющих: g(1.2) = ge + gs + gd где ge, gs и gd – составляющие, обусловленные соответственно обменом ионов, избирательной адсорбцией и адсорбционной ориентацией полярных молекул. Выяснив причины возникновения заряда на поверхности частиц, рассмотрим различные теории строения двойного электрического слоя.
Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-08-24; Просмотров: 1876; Нарушение авторского права страницы
AgNO3 + KCl ® AgCl ¯ + KNO3