ЭЛЕКТРОФОРЕЗ ӘДІСІМЕН ЗОЛЬДЕРДІҢ ЭЛЕКТРОКИНЕТИКАЛЫҚ ПОТЕНЦИАЛЫН АНЫҚТАУ
ЗЕРТХАНАЛЫҚ ЖҰМЫС
Электр тоғының әсерінен дисперстік жүйелердегі фазалардың бір-біріне қатысты жылжуына байланысты болатын электрокинетикалық құбылыстарының бірі - электрофорез. Осы құбылыстарды (электроосмос және электрофорез) 1808 ж Мәскеу университетінің профессоры Рейсс жаңадан ашқан болатын. Кейін, XIX ғ., кері құбылыстар ашылды, оларды ағу потенциалы (Квинке) және шөгу потенциалы деп атаған, ол жағдайда механикалық күштердің әсерінен фазалардың бір біріне қатысты жылжуы нәтижесінде электрлік тоқ пайда болатыны байқалған.
Электрокинетикалық құбылыстардың пайда болуы дисперсті фаза мен дисперсиялық ортаның шекарасында қос электрлік қабаттың (ҚЭҚ) қалыптасуына байланысты. Көпшілік жағдайларда сұйық дисперсиялық ортасы бар бос диспертік жүйелердегі дисперстік фазаның бөлшектерінде (зольдер, суспензиялар, эмульсиялар) ҚЭҚ болады. Фазааралық беттерде ҚЭҚ қалыптасудың үш механизмі болады:
1. Фазаның біреуіне тән функциональды топтардың беттік диссоциациясы.
2. Бір фазаның бетінде екінші фазаның көлемінен белгісі бір зарядталған иондарының ерекше адсорбциясы.
3. Фазааралық шекарада полярлы молекулалардың бағдарлануы.
Түзілген электрлік қабат қосэлектрлік қабатты деп аталады, өйткені ол бір біріне кері белгілі екі қабат зарядтардан тұрады. Бір қабаты фазааралық бетінде болады, ол оның φ0 потенциалын анықтайды. Осы қабатты түзетін иондарды потенциал-анықтауыш иондар деп атайды. Бұл қабаттың заряды екінші қабаттың иондарының зарядтарымен компенсацияланады. Оларды қарсы иондар деп белгілейді. Қарсы иондардың бір бөлігі фазаның бетінде электростатикалық және адсорбциялық әрекеттесулермен ұсталынады, сонымен адсорбциялық қабаты түзіледі (Гельмгольц қабаты). Ал қарсы иондардың екінші бөлігі сол бетке жанасатын ерітіндіде болады және жылу қозғалысында қатысады, сондықтан бұл қабатты диффузиялық немесе Гуи қабаты деп атайды (36-сурет).
36-cурет. Қос электрлік қабаттың сызбасы
Адсорбциялық қабаттың қалындығы δ кері иондардың диаметріне тең деп саналады. Потенциал анықтауыш иондардың қабатымен жанасқан кері иондардың қабаты бірге электрлік конденсатор түзеді. Оның ішінде потенциалдың өзгеруі тура заңдылықпен жүреді. Адсорбциялы және диффузиялық қабаттардың бөлу шекарасындағы потенциалды диффузиялық қабатының потенциалы φδ деп атайды.
Диффузиялық қабатының кему бағытында бұл потенциалдың өзгеруі келесі теңдеумен бейнеленеді:
, (7.1)
мұнда x –ҚЭҚ-ның диффузиялық қабатының басынан бастап қашықтығы; c – диффузиялық қабаттың қалыңдығына кері шама.
(7.1) теңдеуден λ=1/c деп белгіленетін диффузиялық қабаттың қалыңдығы дегеніміз – ол φδ потенциалы e ретке азаятын қашықтық.
Гуи-Чепмен теориясы бойынша диффузиялық қабаттың қалыңдығы келесі қатынастан табылады:
λ=1/ c = 
; 
(7.2)
мұнда ε0 – электрлік тұрақтылық, ε – дисперсті ортаның салыстырмалы диэлектрлік өткізгіштігі; F – Фарадей тұрақ-тылығы; I – иондық күш; c0i және zi - i-ионының концентрациясы мен заряды.
(7.2) теңдеуден диффузды қабаттың қалыңдығына дисперстік жүйенің температурасы, диэлектрлік өтімділігі және иондық күші параметрлері әсер ететіндігі көрінеді.
Әрбір электрокинетикалық құбылыста дисперстік фазаның дисперсті ортаға қатынасты жылжыуы ҚЭҚ-ның тұтастығының бұзылуына апарады. Мысалы, электрофорезде дисперстік фаза-ның бір электродқа (катодқа немесе анодқа) бағытталған қозғалысы кейбір сырғу жазықтық бойымен адсорбциялық қабаты диффузиялық қабатынан бөлінуіне шарт болады. Бұл сырғу жазықтықтың орны аса анық емес, бірақ, ол осы екі қабатының шекарасынан өтеді немесе кішкене ҚЭҚ-тің диффузиялық бөлігіне қарай ығысады (36-сурет). Сырғу жазықтықтың бетіндегі потенциалды электрокинетикалық потенциал немесе ζ-потенциал (дзета-потенциал) деп аталады. Оны тәжірибеде анықтауға болады: электрлік өрісте дисперстік фазаның жылжу жылдамдығы немесе кеуекті денелердегі дисперциялық ортаның жылжу жылдамдығы бойынша, өйткені жылдамдық тек қана электрокинетикалық шамасынан тәуелді.
Гуи-Чепмен теориясына сай x=1:
(7.3)
деп жазуға болады.
Бұл теңдеуден электрокинетикалық потенциалдың мәнін диффузиялық қабаттың потенциалы φδ мен оның қалыңдығы λ анықтайтыны көрінеді. Осыдан, ζ-потенциал мәніне жүйенің температурасы, ортаның диэлектрлік өткізгіштігі және иондық күші әсер береді. Дисперциялық ортаға қосатын электролиттің түріне байланысты диффузиялық қабаттың қалындығын және ζ-потенциалдың мәнін өзгертуге, сонымен бірге тіпті электрокинетикалық потенциалдың таңбасын ауыстыруға болады. ҚЭҚ-тың диффузиялық бөлігін сығылысуына, с.б. иондық күші арту барысында λ шамасының кішірейтуіне ұшырататын электролиттерді индифференттік электролиттер деп атайды. Индифферентті электролиттер беттің φ0 потенциалын өзгертпейді. Ал индифферентті емес электролиттер, Гельмгольц қабатында жүретін иондардың өзгеше адсорбция барысында, беттің потенциалын өзгерте алады.
Электрофорезде электрокинетикалық потенциалды Гельмгольц-Смолуховский теңдеу арқылы табуға болады:
,(В) (7.4)
мұнда η – дисперсті фазаның тұтқырлығы (Па·с), ε – ортаның салыстырмалы диэлектрлік өтімділігі (суға 180 ε=81), ε0 – электрліқ тұрақтылық (8,85 · 10-12 Ф/м), uэф – золь бөлшектерінің электрофорездік жылдамдығы.
Теңдеу (7.4) диффузиялық қабаттың қалындығы бөлшектердің радиусынан r төмен болу керек деген болжаумен алынған. Егер бұл шарт λ≥r орындалмаса, онда электрлік өрісте бөлшектердің жылдамдығы өзгеруі мүмкін. Ол релаксация эффектісі мен электрофоретикалық тежелуімен байланысты. Бірінші құбылыс бөлшектерді қоршаған диффузиялық қабаттың симметриясы бұзылғанымен байланысты, себебі фазалар бір біріне кері бағытта жүреді, сонымен uэф пен ζ-потенциалдың эффективті мәндерін кемітеді. Екінші эффектте иондық атмосферамен байланысты: кері иондардың қарсы ағыны қосымша тежеуді тудырып, бөлшектердің қозғалысына кедергі болады.
Осыдан басқа, электрофорез мәліметтері бойынша ζ-потенциалды есептеген кезде дисперстік фазаның бөлшектердің құрылысы анизометриялық (мысалы, пішіні өзек ретінде) болса қосымша күрделіктер тудырады.
Макроэлектрофорез әдісімен ультрамикрогетерогенді жүйелерде бөлшектердің ζ-потенциалын анықтауға болады. Макроэлектрофорез әдісте золь-жанасқан сұйықтық шекарасының жылжу жылдамдығын табады. Жанасқан сұйықтық ретінде зольдегі дисперциялық ортаны немесе электрөткізгіштігі зольдің элктрөткізгіштігіне тең электролиттің ерітіндісін алады.
Жұмыстың мақсаты: зольдердің макроэлектрофорез әдісімен электрокинетикалық потенциалының шамасын және таңбасын анықтау.
Жұмысқа қажетті құралдар мен реактивтер:электрофорез жасауға арналған қондырғы, көлемі 100 және 250 мл конустық колбалар, көлемі 1 және 5 мл пипетка, көлемі 50 мл өлшеуіш цилиндр, ерітінділер: 1% және 2% FeCI3; 1,5 % KMnO4; 1% Na2S2O3; ацетондағы қаныққан күкірт ерітіндісі; 0,1% K4Fe(CN)6; 2%-ті канифольдің спирттегі ерітіндісі.
Оқытушының тапсырумен зольдерді келесі әдістемелер бойынша дайындайды: