Қос электрлік қабат

Пән: Химия
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 8 бет
Таңдаулыға:

Қос иондық электр қабаты мен екі фазааралық шегінде потенциал айырымының пайда болуы иондардың адсорбциялану процесі мен иондардың алмасуында әрі негізгі, әрі басты роль атқарады, сондай-ақ теория мен қолданбалы жай үшін қажетті құбылыстарды түсіндіруге пайдаланылады.

Олар: электродты процестер; электр капиллярлық және электр кинетикалық құбылыстар; қуысты (кеуек) денелердегі масса мен энергия алмасу процестері; поляризация құбылысы мен оған байланысты өтетін өзгерістері; көбінесе дисперсті системаныд тұрақтылығымен анықталатын коллоидты бөлшектердің өзара электростатистикалық әрекеттесуімен байланысты өтетін құбылыстар. Осы ерекше құбылыстардың бәрі де электрлі беттік құбылыс деп аталатын қос электр қабаты арқылы өзара тығыз байланысқан. Мұндай жалпы атаумен фазааралық бетте қос электр қабатының пайда болуы мен оның салдарынан туындайтын өзгерістер аталады. Бұл құбылыстар электрохимияда, қатты денелер физикасында, геофизикада қолданылады. Қазіргі коллоидты химияның негізі болып саналатын коллоидты бөлшектер, яғни иондар, полюсті молекулалар, зарядталған беткі қабат пен оның кейбір активті орталықтары іс жүзінде беттік құбылыстармен байланысты.

Қос электр қабатының теориялары. Қос электр қабатының пайда болуына байланысты құбылыстарды түсінікті баяндау үшін оның ішкі құрылысына арнайы талдау жасап және ондағы потенциал айырымы мен беткі қабаттағы заряд мөлшерінің арасындағы байланысты анықтау қажет. Енді осы жайды түсіндіретін бірнеше қос электр қабатының теорияларына тоқталайық.

Гельмгольц теориясы. Қос электр қабатының шамасын өлшейтін бірінші теорияны 1879 жылы Гельмгольц зерттеп ұсынды. Ол кос электр қабатын сұйық ерітінді ішінде беткі қабаты қарама-қарсы зарядталып, бірінен-бірі молекулалық өлшемде (қашықтықта) орналасқан параллель жазық конденсатор ретінде қарастырды. Мұнда жазық конденсатор теориясына орай параллель қабырғаның бірінде пайда болатын потенциал айырымы (ср), екінші қабырға алыстаған сайын түзу сызықты тәуелділікпен кемиді. Пікірді қорыта келіп, келесі тұжырымды жасауға болады: қатты беттен алыстаған сайын кері иондардың концентрациясы кемиді жэне диффузиялык қабаттын қалындығы көлемдік концентрация квадратына ( кері пропорционалды кемиді; концентрациялары, тен болған жағдайда диффузиялық қабат қалындығына жоғарғы валенттіліктегі ион көбірек эсер етеді.

Диффузиялық қабаттың көлемін есептеп, оны тәжірибе кезінде алынған мәліметпен салыстырғанда, айырымашылығы өте алшақ болып шықты. Сондай-ақ, Гуи-Чэпмен теориясы қайта зарядталу құбылысын және дзета-потенциалды түсіндіре алмады. Бұл теория бойынша электр кинетикалық потенциалдың пайда болуы салыстырмалы тұрғыда жылжитын сұйық фазадағы белгілі қалың-дықтағы диффузиялық қабаттың қатты дененің беткі қабатында мықты ұсталып тұруына байланысты. Ғылымдағы мұндай олқылықтар оны онан әрі зерттей түсуге итермеледі.

Штерн теориясы. 1924 жылы Штерн қос электр қабатының теорияларын біріктіріп, олардың негізінде өз теориясын ұсынды. Бұл - Гельмгольц және Гуи-Чэпмен теорияларының біріккен түрі. Қос электр қабатының теориясын ұсынарда ол екі жайға сүйенді: иондардың өздеріне тән өлшемі болғандықтан, олар қатты фазаға өз радиусынан кіші болатын аралықка дейін жақындай алмайды; қатты фазаның беткі қабаты иондармен электрлік тұрғыдан емес, өзгеше әрекеттеседі. Қос электр қабатындағы қарсы иондар қабатының пайда болып құрастырылуы олардың зарядталған беткі қабатпен электр статистикалық әрекеттесумен ғана емес және адсорбция құбылысы арқылы жүреді екен. Енді осындағы адсорбция өте аз (кысқа) аралыққа әсер етеді және оның ықпалы беткі қабаттағы бірінші кері ион қабатынан кейін күші жоқ деп саналады. Бұл теорияда кері ион қаншама кіші болса да оның соңғы өлшемі ескеріледі. Олай болса, ондағы кері иондар беткі қабатқа жабысып қалмастан өз радиусындай қашықта орналасады.

Электрстатистикалық және адсорбциялық күштер арасындағы қатынастар иондардың концентрациясын, олардың беткі кабаттағы зарядын анықтайды. Егер кері иондардың адсорбциялық қабілеті өте күшті болса, онда адсорбциялық және электр кинетикалық күштердің ықпалы нәтижесінде бірінші қабаттағы иондар концентрациясы өседі. Адсорбциялық күш, электр статистикалық тартылыс күшінен басымдау болса, онда бірінші қабаттағы иондар потенциалды анықтаушы және бір зарядты болуы мүмкін. Бұл теория бойынша кері иондардың бірінші кабаты, кейде бірнеше қабаты адсорбциялык және электр статистикалық күштер әсерімен қатты бетке (қабырғаға) тартылады. Мұның салдарынан, Гельмгольц теориясында қарастырылғандай қалыңдығы 6 болатын жазық конденсатор құрайтын 1-2 молекулалық ретпен өлшенетін

кері иондардың бір бөлігі қабырғаға өте жақын орналасады.

Нақ осындай қабаттарда потенциалдың күрт кемитіні байқалады және оны гельмгольцтік, штерндік немесе адсорбциялық потенциал деп атайды. Қалған кері иондар потенциал анықтаушы иондарды конденсациялау үшін жұмсалады. По-тенциал анықтаушы иондар Гуи-Чэпмен теориясындағыдай, жылу әсерінен ерітіндіге диффузия арқылы таралады. Қос электр қабатының бұл бөлігіндегі потенциал бірте-бірте кемиді және оны кейде Гуи қабаты деп те атайды. Суретте көрсетілгендей потенциалдың кемуі (φ ₀ ) диффузиялық бөліктегі потенциал кемуі (φ _б ) мен жазық конденсатор астарларының арасындағы потенциал айырымының (φ ₀ - φ _б ) қосындысынан тұрады. Жылжы- малы АВ шегінің тұрақты орны белгісіз. Демек, Гельм-гольц және Гуи қабаттарындағы шекте пайда болатын потенциалдың шартты емес.

Системаға электролитті енгізу (қосу) салдарынан диффузиялық қабаттағы кері иондардың көпшілігі сығыла келіп, адсорбциялық қабатқа ауысады. Осы кездегі кос электр қабаты Штерн теориясына орай Гельмгольц теориясында қарастырылатын қабатқа жақындай түседі, ал дзета-потенциал бірте-бірте азайып, нөлге жақындайды. Әрине, электролит концентрациясын кеміткен сайын жоғарыда келтірілген құбылыстар кері бағытта болады.

Штерн теориясына сүйеніп есептелген қос электр қабатындағы сыйымдылық мәні, тәжірибе кезінде алынған мәліметке жақындайды. Сондай-ақ ол электр кинетикалық потенциал белгісінің системаға дисперсті фазадағы зарядқа кері болатын заряды бар көп валентті иондарды қосқандағы оқ зарядтан теріске, не керісінше өзгеру себептерін түсіндіреді. Мұндай көп валентті иондар, өздерінің полюстенуіне байланысты болатын күшті адсорбциялық қабілеті мен электр статистикалық әрекеттесу күштерінің көмегі арқылы адсорбциялық қабатқа тартылады. Осы тұстағы адсорбцияланған иондардың көптігі сонша, олар беткі қабаттағы зарядтарды нейтралдап қана қоймай, ондағы бөлшектерді кері зарядтайды. Ондағы кос электр кабатының потенциал өзгерісінің сипаты мүлдем өзгереді, мысалы суретте көрсетілген φ ₀ және λ-потенциалдар және басқалар өздерінің бұрынғы белгісін керіге ауыстырады. Мұндайда λ -потенциал өзгеріссіз қалады, өйткені қатты фазаның кристалды торын басқа тектегі иондар өзгертіп, оны толықтыра алмайды. Осылайша әр түрлі мәндегі потенциалдар пайда болады және системадағы электролит концентрациясының онан өсуі диффузиялық қабаттың сығылып (тығыздалып), потениалдың кемуіне саяды. Мысалы, теріс потенциалы бар бөлшекерді қайта зарядтау үшін алюминий және торий сияқты көп валентті иондар жиі қолданылады. Егер бір валентті иондардың асорбциялық потенциалы күшті болса, онда олардың қайта зарядтауға кабілеті болады. Оларға көптеген алколоидтардың ион дары, мысалы, стрихинин және хинин, негіздік бояулар, тағы басқалар жатады.

images (2).jpg Қос электірлік қабат - кеңістікте қарама-қарсы таңбалы электр зарядтарымен бөлініп тұрған екі фазааралық бөлу шекарасында түзілетін өте жұқа беттік қабат. Оның түзілуі электродтық процестердің жылдамдығына, адсорбцияға, дисперстік жүйелердің тұрақты- лығына, әр түрлі денелердің жұққыштығына, екі фазааралық бөлу шекарасындағы үйкеліс коэффцентне, тағы басқа әсер етеді. Жылулық қозғалыстың әсерінен Қос электірлік қабатта иондар электродтың бетінде тек қана кулондық күштің әсерінен адсорбцияланады да, атмосферадағы молекулалар сияқты таралып, оның диффузия қабатын түзеді. Диффузия бөліктің шекарасы Гельмгольцтің сыртқы жазықтығы деп аталады. Оған жылулық қозғалысқа қатысатын сольватталған иондар электр орталықпен жақындайды. Гельмгольцтің сыртқы жазықтығы мен электрод бетінің арасында Қос электірлік қабаттың тығыз қабаты орналасқан, оның диэлектрлік өтімділігі көлемдегі ерітіндіден әлдеқайда аз. Тығыз қабатта еріткіш пен органиктік заттардың бағытталған дипольдері, сонымен қатар электрод бетімен химиялық әрекеттесу нәтижесінде пайда болатын жартылай сольватсызданған иондар (арнайы адсорбцияланған иондар) орналасады. Олардың электр орталықтары Гельмгольцтің ішкі жазықтығын түзеді. Бөлу шекарасында электр бейтараптық сақталу үшін электродтағы заряд тығыздығы арнайы адсорбцияланған иондар зарядтары мен диффузия қабаттағы иондар зарядтары теңгеріледі. Қос электірлік қабаттың құрылысы мен қасиеттерін зерттеу көптеген электр-химиялық және коллоидтық құбылыстарды толық түрде түсіндіру үшін ғылымының маңызы зор. Қазақстанда мысты, алюминийді электролиз арқылы алу, көмірді және табиғаты әр түрлі кендерді флотация көмегімен байыту, ауыз су және ақаба суларды коллоидтық бөлшектерден тазарту қос электірлік қабат процестеріне негізделген.

Қос электрлік қабаттың пайда болу механизмі

Фазааралық бөлу бетінде қос электрлік қабат (ҚЭҚ) әрекеттесуші фазалардың беттік еркін энергияларын азайтуға ұмтылысының нәтижесінде пайда болады. Жалпы ҚЭҚ үш түрлі жолмен түзілуі мүмкін.

1) Қос электрлік қабат иондардың немесе электрондардың бір фазадан екінші фазаға өтуінің нәтижесінде, яғни беттің иондануы нәтижесінде пайда болады. Мысалы, металл бетінен газды ортаға электрондардың өтуі нәтижесінде пластинка беті оң, ал газ теріс зарядталады. Металл пластинкасын суға батырғанда металл бетінен катиондар суға өтеді де, соның нәтижесінде металл беті теріс, ал су оң зарядталады. Демек жанасушы фазалар арасында потенциалдар айырымы пайда болады. Потенциалдар айырымы электрондардың (иондардың) беттен ары қарай бөлінуін тежейді де, жүйеде тепе-теңдік күй орнайды. Нәтижесінде, фазааралық шекарада қос электрлік қабат пайда болады.

Суда нашар еритін күміс иодидін суға салғанда жақсы гидратталатын күміс иондары суға көшеді де, беті теріс зарядталады, ал оған жанасушы су қабаты оң зарядталады.

Бетке заряд беретін иондарды потенциал анықтағыш иондар деп атайды. Дисперстік ортаға көшетін иондарды қарсы иондар деп атайды.

2) Қос электрлік қабат бетке иондардың адсорбциялануы нәтижесінде де пайда болуы ықтимал. Көп жағдайда ерітіндідегі электролиттің құрамындағы ион бетке таңдамалы түрде адсорбциялануы мүмкін. Бұл кезде адсорбция Панет-Фаянс ережесіне байланысты жүреді. Мысалы, металл пластинкасын натрий хлориді ( ) ерітіндісіне батырғанда металл бетіне хлорид аниондары адсорбцияланады да, соның нәтижесінде бет теріс зарядталады ал оған жанасушы суда натрий катиондары қалып қояды да орта оң зарядталады.

Қос электрлік қабат, сонымен бірге қатты дене бетіне иондық беттік-активті заттардың адсорбциялануы нәтижесінде де пайда болады. Сонда полярлы жағымен суға қарап адсорбцияланган БАЗ молекулалары диссоциацияланады да, нәтижесінде бетте заряд пайда болады. Мысалы, судағы ерітіндісінен карбон қышқылының натрий тұзы молекулалары (R-СОО-Na) гидрофобты қатты дененің (көмірдің) бетіне адсорбцияланғанда дененің беті теріс, ал дисперстік орта оң зарядталады. Сонда БАЗ-тың R-СОО аниондары потенциал анықтағыш иондар болып, ал Na ⁺ катиондары қарсы-иондар болып табылады.

3) Қос электрлік қабат неионогенді, полярлы молекулалардың дисперстік ортадан бетке адсорбциялануы нәтижесінде түзілуі мүмкін. Бұл кезде беттің заряд таңбасы Кен ережесі бойынша анықталады: жанасушы екі фазаның диэлектрлік өткізгіштігі жоғарысы оң зарядталады.

Мысалы, металл пластинканы полиэтиленгликольдің (ПЭГ) [-СH ₂ -СН ₂ -О-] _n - судағы ерітіндісіне батырғанда ПЭГ молекулалары пластинка бетіне адсорбцияланып, бетте белгілі бір ретпен орналасуы нәтижесінде фазааралық бөлу бетінде ҚЭҚ пайда болады.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.