Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (1157045), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Действительно, поскольку в тонких каналах понижена концентрация коионов, их перенос через такие каналы существенно затруднен. Вследствие стремления системы к восстановлению электронейтральности протекающей жидкости противоионы также задерживаются подобными тонкопористыми мембранами. Процесс освобождения дисперсионной среды от электролитов при ее фильтрации через тонкопористые мембраны называют обратным осмосом, его используют для обессоливания жидкостей и их очистки от примесей, например солей тяжелых металлов. Для осуществления процесса с достаточно большими скоростями к мембранам прикладывают большие разности давлений. Зто делает необходимым использование высокопрочных мембран.
Процесс обратною осмоса имеет место при ультрафильтрации золей — отделении дисперсионной среды на тонкопористом фильтре под давлением. В результате ультрафильтрат может заметно отличаться по составу от исходной дисперсионной среды.
Характерные особенности массообменных процессов наблюдают при использовании мембран с тонкими порами, проницаемыми только для ионов, но не для коллоидных частиц (полупроницаемая мембрана, например пленка коллодия). Если такая мембрана разделяет коллоидную систему или раствор полиэлектролита и чистую дисперсионную среду, то часть ионов переходит через мембрану в дисперсионную среду и устанавливается так называемое д о н н ано в с к ое рави о весне. Многократно заменяя дисперсионную среду за мембраной, можно очистить дисперсную систему от примесей электролитов. Этот метод очистки дисперсных систем и растворов высокомолекулярных веществ от электролитов назван диа- 1 лизам . Рассмотрим, что происходит, если единица объема дисперсной системы, содержащей н заряженных коллоидных частиц (л/Хл молей частиц) и с молей электролита (например, )х(аС! ) контактирует через полупроницаемую мембрану с единицей объема чистой дисперсионной среды (рис.
1У-11). Если эффективный заряд частицы равен а) 1 Процесс диализа может быть значительно ускорен при наложении на систему внещггего злектрического поля (злектроднализ). Концентраши с соответствует значениям в объеме раствора, т.е. на расстояниях Я, значительно превышавших толщину диффузной части двойного слоя, б = 1/аи Я » Ь = 1/ав. 186 (пусть с1 > 0), то диффузные слои проти- ВОИОНОВ В СнетЕМЕ Содсржат фл/ЕХА МО- и сд~ ЛЕй аНИОНОВ (Пуетъ таКжЕ ИОНОВ С1 ). Я'~с1ЧАО:::: х1Ча+ Условием равновесия в системе,,:::; „С1— близкой к идеальному раствору, является постоянство произведения концентраций ионов, способных проходить сквозь Ряс.
1у-и. цссснсс элс тромембрану по обеим сторонам от мембра- "ят' "'Р" "'"аРаяг ны (для концентрированных растворов электролитов необходимо учитывать коэффициенты активности ионов). Для достижения такого равновесия х молей ХаС! должны продяффундировать через мембрану в чистую дисперсионную среду. Следовательно, величина х определяется условием с+ — х (с — х)=х с д,п еХ„ откуда с+[у,п /(еХ„)[ х= с.
2с+[ф,п /(еХ„)) (1Ч.17) При малой концентрации электролита с, высокой концентрации коллондных частиц п и их большом эффективном заряде, т. е. когда с « дп/(еХ ), величинах близка к исходной концентрации электролита. Иными словами, практически весь электролит в этих условиях должен перейти в чистую дисперсионную среду. Это означает, что при сильно развитых диффузных слоях ионов и достаточно плотном расположении частиц, когда ионные атмосферы частиц соприкасаются„коионы (в данном случае Ха ) практически полностью удаляются из системы через полупроницаемую мембрану в чистую дисперсионную среду (увлекая за собой, разумеется, и эквивалентное число ионов обратного знака).
Соответственно, если концентрированная коллоидная система контактирует через полупроницаемую мембрану с раствором электролита, то при выполнении условия с « д,п/еХ электролит не будет переходить в дисперсную систему. Эти явления, наблюдающиеся также и для растворов полиэлектролитов и белков (для которых мембраны непроницаемы), важны при функционировании клеток растений и животных. При с » оп/(еХА) в соответствии с выражением (1Ч.7) х с/2, г. е. диффузия приводит к установлению практически равных концентраций электролита в обеих частях системы — в дисперсионной среде и в первоначально чистом растворителе. Более точное рассмот1В7 рение показывает, что эти концентрации несколько отличаются друг от друга. Количество перенесенного электролита приближенно равно: (1У.18) с 1дл х=-+- 2 4еХл Подсчитывая суммарные равновесные концентрации частиц и ионов в обеих частях системы, получаем для коллоидной системы (см. рис.
1У-11, слева от диафрагмы): и+ — и+2Хл(с-х) =и+сХл +- — и д, 1 д, е " " 2е а для дисперсионной среды (справа от диафрагмы) 2Хлх=сХ + — — 'и л л Разность этих суммарных равновесных концентраций, определяющая осмотическое давление, равна и, т. е. осмотическое давление как бы обусловливается только частицами, которые не могут проходить через мембрану, а свободно проходящие через мембрану ионы не дают в него вклада. Некоторые особенности наблюдаются при прохождении электрического тока через связнодисперсные системы с шириной каналов, соизмеримой с толщиной ионной атмосферы Ь = 1/ж. Напомним, что области диффузного слоя вблизи поверхности обогащены противоионами и обеднены коионами, следовательно, электрическая проводимость в этом случае обусловлена преимущественно движением ионов одного знака, т. е.
происходит изменение чисел переноса — доли тока, перенесенной каждым ионом. Диафрагмы, проводимость которых связана с движением преимущественно одного вида ионов, называют ионоселехтивными: хатионитными (противоионами являются катионы) и анионитными (противоионами являются анионы). Поверхности твердой фазы заряжены отрицательно для катионитных диафрагм и положительно — для анионитных.
Важнейшее использование таких ионоселективных диафрагм связано с обессоливанием воды и коллоидных растворов. Если про- ' Чтобы получить выражение (ГК18), умножим и разделим ()'т'.17) на 2с — (Е,л/е)Чл) и пренебрежем квадратными по малов величине Е,л/(е)чл) слагаемыми. Это лает (2 '+[ /ьм,) ° 188 странство в сосуде, заполненном раствором соли, разделено на три части анионитной (рис.
1У-12, АД) и катионитной (КД) диафрагмами, то, расположив в левом отделении анод, а в правом катод и пропуская электрический ток, можно удалить ионы из раствора в средней части. Действительно, содер- Рис. 1У-12. Об«осваивание воды жащиеся в средней части катионы будут проходить через катион итную дна- тивныыи диафрасншн фрагму в правую часть сосуда, тогда как анионитная диафрагма не позволит поступать катионам в среднюю часть из левой.
Аналогично анионы будут уходить через анионитную диафрагму к аноду и не смогут проходить в среднюю часть из катодного пространства. Такая схема позволяет очищать коллоидные растворы и опреснять воду, не используя чистую воду, что необходимо при диализе или электродиализе через неселективные диафрагмы. Другая особенность электрической проводимости диафрагм с капиллярами малой толщины связана с повышенной в соответствии с (111.15) суммарной концентрацией ионов в двойном электрическом слое. Концентрирование противоионов вызывает рост электрической проводимости в тонких капиллярах, который может быть таким сильным, что при помещении диафрагмы в раствор ток не только не уменьшится, а даже несколько возрастет.
Это явление «капиллярной сверхпроводимостив было исследовано И.И. Жуковым и Д.А. Фридрихсбергом в ЛГУ. Весь изложенный материал свидетельствует о большом значении электрокинетических исследований для изучения строения двойных электрических слоев. Вместе с тем важная роль принадлежит электрокинетическим явлениям в природе и технике. Так, наблюдения потенциалов течения и измерения электрической проводимости горных пород лежат в основе одного из эффективных геофизических методов, помогающих обнаруживать места залегания полезных ископаемых, В последние годы разработан также метод предсказания землетрясений, основанный на резком возрастании электрической проводимости горных пород перед землетрясением. Сложные технические проблемы связаны с возникновением потенциалов протекания при транспортировке непроводящих жидкостей — нефти и нефтепродуктов.
Согласно соотношению (1У.16) малая электрическая проводимость углеводородной среды обусловливает в этом случае возникновение больших разностей потенциалов, которые особенно опасны из-за легкой воспламеняемости транспор- 189 тируемых жидкостей. Возникновение пожаров танкеров и нефтехранилищ иногда связано именно с появлением потенциалов течения.
Основной мерой борьбы с этими опасными явлениями может служить увеличение электрической проводимости среды за счет введения в нее добавок маслорастворимых ионогенных ПАВ. Электроосмос используют для осушки грунтов (например, оснований плотин) и стен зданий. 1У.5. Влияние электролитов на электрокинетические явления В соответствии с рассмотренными представлениями о строении двойного электрического слоя и природе электрокинетических явлений в число характеристик двойного слоя входят: термодинамический потенциал поверхности твердой фазы уе (относительно объема раствора), потенциал адсорбционного слоя де, электрокинетический потенциал ~ и толщина диффузного слоя Ь = 1/ж. Потенциалы у0 и ~рд теоретически определены сравнительно строго, но их нельзя измерить экспериментально, тогда как с,-потенциал измеряется достаточно просто.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
