Лекции (11) (PDF-лекции)

PDF-файл Лекции (11) (PDF-лекции) Коллоидная химия (53293): Лекции - 7 семестрЛекции (11) (PDF-лекции) - PDF (53293) - СтудИзба2019-09-18СтудИзба

Описание файла

Файл "Лекции (11)" внутри архива находится в папке "PDF-лекции". PDF-файл из архива "PDF-лекции", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "коллоидная химия" из 7 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГУ им. Ломоносова. Не смотря на прямую связь этого архива с МГУ им. Ломоносова, его также можно найти и в других разделах. .

Просмотр PDF-файла онлайн

Текст из PDF

Лекция 9. ДВОЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛОЙПри контакте твердого тела с раствором электролита происходит ряд процессов,приводящих к заряжению поверхности: 1) адсорбция (достройка кристаллическойрешетки) ионов на поверхности твердого тела; 2) диссоциация поверхностных групп; 3)переход ионов одного знака из твердого тела в раствор, когдаанаповерхностиостаетсяфрагментгруппыпротивоположного заряда; 4) поляризация поверхности (дляметаллов – наличие избытка/недостатка электронов наповерхности).Вблизи заряженной поверхности изменяется концентрацииионов: к поверхности из раствора подтягиваются ионыпротивоположного знака и отталкиваются ионы одного знака с зарядом поверхности. Врезультате в системе твердое тело/электролит формируется так называемый двойнойэлектрический слой.

Детально структуру двойного электрического слоя рассмотримниже.Важно: Первые представления о двойном электрическом слое были развитыГельмгольцем, который считал, что и в электролите формируется тонкий слойионов, заряд которых противоположен заряду поверхности твердого тела иполностью компенсирует его. Эти два слоя формируют конденсатор, сатомарным расстоянием между обкладками.Важно: Гуи и Чепмен показали, что тепловое движение ионов «размывает»слой ионов, формирующийся в электролите, и он простирается достаточнодалеко вглубь электролита.

Теория Гуи-Чепмена будет рассмотрена ниже.Типы ионов – потенциалопределяющие и индифферентные ионы.Потенциалопределяющими называют ионы, введение которых вэлектролит приводит к изменению заряда и потенциала поверхности.Индифферентными называют ионы (электролиты), не изменяющиепотенциал поверхности.Примером потенциалопределяющих ионов могут служить,например ионы серебра Agили йода I по отношению кповерхности кристаллаAg I .Эти ионы способны встраиваться вповерхность кристалла. В результате в растворе KI поверхностькристалла заряжается отрицательно за счет адсорбции (достраиваниякристаллической решётки) ионов I , а в растворе AgNO 3 - положительно за счетадсорбции ионов Ag .Рассмотрим условие равновесия в системе заряженных частиц.

Для таких частицусловием равновесия является постоянство электрохимического потенциала, котороепри малой концентрации ионов ci в растворе имеет вид ( eN A – число Фарадея)i  i0  RT ln ci  zi eN A  con st .Дифференцируя это равенство, приходим к уравнению НернстаRTkTd  d ln ci   d ln ci .zi eN Azi e(1)(2)К потенциалопределяющим относят ионы, которые подчиняются соотношению (2), тоесть изменение концентрации которых в растворе ведет к изменению разностипотенциалов между твердой фазой и электролитом в соответствии с уравнением (2).Если к тому же ионы при адсорбции становятся неотличимыми от твердой фазы (как вслучае ионов Ag или I в рассмотренном выше примере), то их химическийпотенциал не зависит от концентрации в твердой фазе и имеет вид(3)is  is 0  zi eN A0 ,s0где  0 - потенциал поверхности, а  i - потенциал ионов в конденсированной фазе.

Кпотенциалопределяющим ионам относят также и те, для которых справедливоравенство (3).Изотерма адсорбции ионов (изотерма Штерна)Важно: Экспериментальные исследования показали, что адсорбция ионовопределяется не только знаком, но и природой ионов. В связи с этим вводят понятие оспецифической адсорбции, связанной с неэлектростатическим взаимодействием ионов споверхностью. Менее часто используется термин неспецифическая адсорбция,величина которой определяется только знаком, но не типом ионов.Важно: ионы в растворе обычно окружены гидратной оболочкой, которая можетразрушаться, разрушаться частично или не разрушаться при адсорбции.Важно: в случае адсорбции ионов невозможной считается полислойная адсорбция.То есть фактически речь может идти только о заполнении первого монослоя. Такимобразом, изотерма адсорбции ионов должна быть схожей с изотермой адсорбцииЛенгмюра.

Такая изотерма была получена Штерном.Представим, что на поверхности имеетсяN0могут адсорбироваться ионы. Если ионы занялиактивных центров, на которыхN aiцентров то их химическийпотенциал при малых степенях заполнения может быть записан в виде si   0si0i  i N ai  RT ln  zi eN Ad  N A i , N0 (4) RT ln c0i  zi eN Ae ,0где  i - энергия неэлектростатического взаимодействия иона с поверхностью,  si –часть химического потенциала, связанная с взаимодействием иона с окружением наповерхности, d - потенциал в плоскости наибольшего сближения с ионов споверхностью.Приравнивая химические потенциалы иона в растворе (где принимаем eна поверхности, сразу же получаем изотерму Генри-Штерна00N ai i  zi edi   sii  c0i K Hi exp[ ], K Hi  exp[],N0k BTRTгде K Hi - приведенная константа Генри (нормировка хим.

потенциала!). 0)и(5)Учтем, что на поверхности существует конечное число свободных центров,предположив, следуя Штерну, что отношение числа занятых адсорбционных центров кчислу свободных мест определяется больцмановским факторомN ai i  zi ed c0i K Hi exp[ ].N 0   N aik BT(6)iОтсюда получаем изотерму адсорбции Штерна i  zi edc0i K Hi exp[ ]N aik BTi ,N 0 1  c K exp[   i  zi ed ] 0i Hik BTiкоторая для нейтральных молекул переходит в изотерму адсорбции Ленгмюра.(7)Входящий в уравнения (5) и (7) потенциалiопределяет специфическуюадсорбцию ионов.

С наличием специфической адсорбции связывают существование такназываемых лиотропных рядов. На большом числе экспериментальных данных былопоказано, что катион оказывает тем более сильное понижающее воздействие наотрицательный поверхностный потенциал, чем больше его истинный объем.

Для ионовщелочных металлов этот ряд выглядит следующим образомLi  Na  K  Rb  C s,(8)а для ионов щелочноземельных металлов он таковMg 2  Ca 2  Sr 2  Ba 2 .(8)Лиотропному ряду щелочных металлов отвечает адсорбционный рядΓCs ΓRb ΓKΓNa Γ.Li(9)Двойной электрический слойВ настоящее время структуру двойного слоя представляют более сложной.Выделяют 1) плотную часть двойного слоя (или слой Штерна) и 2) диффузную.Плотная часть в общем виде представляется в виде внутренней и внешней части.Внутренняя часть образована дегидратированными ионами, адсорбированными наданной поверхности.

Поскольку ионы имеют конечный размер, то имеется различиемежду потенциалом стенки  0 и потенциалом  d в той плоскости (внутренняяплоскость Гельмгольца), в которой находятся адсорбированные дегидратированныеионы (в слое Штерна). Потенциал  d часто называют штерновским. Внешнюю частьплотного слоя составляют гидратированные ионы,взаимодействие которых с поверхностьюпрактически лишено специфичности. Сположением этих ионов связывают такназываемую внешнюю плоскость Гельмгольца.

Завнешней плоскостью Гельмгольца находитсядиффузная часть двойного слоя (слой Гуи) вкоторую иногда включают и ионы,расположенные во внешней плоскостиГельмгольца.Важно: ионы, находящиеся в плотной части, считаются неподвижными, а ионы вдиффузной части подвижны.Важно: специфически адсорбированные ионы, входящие во внутреннюю частьплотного слоя, могут иметь как противоположный, так и одинаковый спотенциалопределяющими ионами заряд.Ионы, имеющие одинаковый спотенциалопределяющими ионами заряд,называются коионами, а ионы противоположногознака – противоионами.Важно: Строение двойного слоя определяет нетолькотермодинамические,ноиэлектрокинетические характеристики поверхностии коллоидных систем.При этом важную роль играет граница слоя, накоторой молекулы жидкой среды практическитеряют свою гидродинамическую подвижность.Плоскость, разделяющая подвижную внешнюю среду от неподвижного граничногослоя, называется плоскостью скольжения. В этой плоскости потенциал имеет значение .

Эта величина называется электрокинетическим потенциалом или дзета-потенциалом.Иногда отождествляют потенциал Штерна и электрокинетическийпотенциал, полагаяd   . Но это не совсем верно.Строение диффузной части двойного слояБолее тщательно проведено изучение диффузной части двойного слоя, котораяиграет доминирующую роль и в электрокинетических явлениях, и в устойчивостиколлоидных систем. Для нахождения потенциала и концентрации ионов в диффузнойчасти двойного слоя используется уравнение Пуассона2d 1( x)  2  q( x) , 0dx(10) - диэлектрическая проницаемость электролита, которую мы считаем постоянной, 0 - электрическая постоянная, q(x) - плотность заряда и мы перешли к одномерномугдеприближению, считая, что все параметры зависят только от нормальной к поверхностикоординаты x.Важно: размер ионов не учитывается, они считаются точечными частицами.Принимая больцмановское распределение для концентрации ионов, приходим косновному уравнению теории диффузной части двойного слоя – уравнению ПуассонаБольцманаd 21 zi e( x)  .zi ec0i exp 2 0 ikT dx(11)Это уравнение необходимо дополнить граничными условиями, в качестве которых мыпримем следующие(0)  0 ,(12) x   0.Важно: Можно также задать плотность поверхностного заряда на поверхности, чтопозволяет использовать следующее граничное условиеqsd, где qsdx x  0  0-плотность поверхностного заряда.

Свежие статьи
Популярно сейчас
А знаете ли Вы, что из года в год задания практически не меняются? Математика, преподаваемая в учебных заведениях, никак не менялась минимум 30 лет. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Нашёл ошибку?
Или хочешь предложить что-то улучшить на этой странице? Напиши об этом и получи бонус!
Бонус рассчитывается индивидуально в каждом случае и может быть в виде баллов или бесплатной услуги от студизбы.
Предложить исправление
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
5076
Авторов
на СтудИзбе
455
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее