Подвійний електричний шар

Утворення ПЕШ суттєво впливає на швидкість електродних процесів, стійкість дисперсних систем, змочуваність тіл, адсорбцію, коефіцієнт тертя на межі двох фаз та інші властивості міжфазної границі і відповідно, процеси, які пов'язані з міжфазними ефектами: флотацію, брикетування зі зв'язуючим, аґломерацію, зневоднення, седиментацію, фільтрацію тощо.

В біологічних системах процеси утворення і руйнування ПЕШ на клітинних мембранах супроводжують розповсюдження електричних імпульсів вздовж нервових і м'язових волокон.

В основі теорії ПЕШ лежить термодинамічний підхід, теорія Гуї-Чепмена (англ. Gouy-Chapman theory) і уявлення про адсорбцію на поверхні метал-електроліт.

У випадку ліозолів ПЕШ складається з йонів одного знаку, які міцно зв'язані з дисперсною фазою (потенціалвизначальні йони), і еквівалентної кількості протилежно заряджених йонів, які знаходяться у рідкому дисперсійному середовищі біля міжфазної поверхні (протийони). Заряд на поверхні твердої фази розглядається як поверхневий заряд. Структура шару протийонів згідно з теорією Гуї-Чепмена складається з двох шарів — щільного і дифузного. Наявність останнього пояснюється тепловим рухом молекул. Крива електричного потенціалу у приповерхневій зоні має крутішу ділянку — де більше компенсуючих протийонів і менш круту — де їх менше. Дифузна частина ПЕШ відривається при рухові рідини або твердої частинки. При цьому потенціал дифузної частини ПЕШ приймають рівним дзета-потенціалу (див. електрокінетичний потенціал).

ПЕШ виникає внаслідок:

1. Обміну йонів між металом і розчином
2. Специфічної адсорбції йонів на поверхні електрода
3. Адсорбції поверхнево-активних речовин, тобто орієнтованої адсорбції полярних молекул біля межі поділу фаз.

При зануренні металевого електрода в розчин електроліту між металом і розчином виникає ПЕШ, а на межі розподілу фаз виникає стрибок потенціалу.

Якщо хімічний потенціал катіонів металу в розчині менше, ніж в електроді μ_р < μ_е, то ці катіони залишають електрод, і надлишок негативного заряду на поверхні електрода притягує до поверхні металу позитивні йони. Таким чином вздовж поверхні електрода утворюється ПЕШ.

Навпаки, якщо хімічний потенціал катіонів в розчині більше, ніж в електрода μ_р > μ_е, то катіони виділяються з розчину на поверхні електрода і притягують до поверхні металу аніони з розчину електроліту.

Одна обкладка ПЕШ представляє собою позитивні заряди зі сторони металу, інша — негативні заряди аніонів з боку розчину.

Шляхом вибору концентрації потенціалвизначаючих йонів в розчині можна досягти такої ситуації, коли умова μ_р = μ_е не потребує переходу йонів з метала в розчин чи навпаки. В цьому випадку заряд поверхні метала дорівнює нулю, а його потенціал відносно електрода порівняння називається потенціалом нульового заряду.

Якщо припустити, що у розчин із зовнішнього шару А кристалічної ґратки мінералу, розташованого між лініями 1–1 та 2–2, переходять переважно катіони, то у цьому випадку поверхня мінералу здобуває негативний заряд. Після того як між розчином і твердою фазою встановиться рівновага, вправо від лінії 1–1, яка є межею між зміненим і незміненим шарами ґратки мінералу, будуть знаходитися переважно аніони мінералу, і саме цей шар буде заряджений негативно (у крайньому випадку, як показано на рис. а, у цьому шарі будуть тільки аніони). Указана частина подвійного електричного шару називається його внутрішньою обкладинкою і позначена буквою А, тому що цей шар складається в основному із аніонів мінералу. Йони внутрішньої обкладинки А подвійного електричного шару розташовані упорядковано і міцно зв'язані з кристалічною ґраткою мінералу. Фізичною межею мінералу і водного розчину є лінія 2–2. Безпосередньо за цією межею розташовано наступний упорядкований шар йонів, заряджених позитивно, тобто катіонів. Катіони, що безпосередньо прилягають до внутрішньої обкладинки подвійного електричного шару, міцно зв'язані з зарядженою поверхнею мінералу і при русі мінеральної частинки відносно оточуючого середовища рухаються разом із нею. Ці катіони, розташовані у шарі К, складають щільну частину зовнішньої обкладинки подвійного електричного шару (шар Штерна). Віддалені від внутрішньої обкладинки катіони зв'язані з нею слабше і при переміщенні мінеральної частинки у середовищі відстають від неї. Цей шар йонів протилежного знаку (шар К′) називають дифузним або шаром Гюї. Лінія 4–4 є межею між дифузним шаром і середовищем, що практично не містить катіонів.

Подвійний електричний шар може також утворюватись на поверхні бульбашки (поверхні розділу «повітря — вода») і краплини аполярного масла у воді (поверхні розділу «масло — вода») при адсорбції на міжфазній поверхні, напр., гетерополярних йонів або молекул.

Оскільки поверхня частинки має заряд, у просторі, що оточує частинку, виникає електричне поле, характер зміни потенціалу якого по мірі віддалення від поверхні мінералу показано на рис. б. Потенціал φ поля на міжфазній поверхні називається повним або термодинамічним, а на межі шарів Штерна і Гюї — електрокінетичним або дзета-потенціалом ξ.

Значення φ-потенціалу мінералу залежить від концентрації потенціал-визначальних йонів (тобто йонів, з яких складається мінерал, і йонів, що їм ізоморфні). Величина φ-потенціалу характеризується як різниця потенціалів між йонами зовнішньої обкладинки, з одного боку, і йонами внутрішньої обкладинки (зліва від лінії 2–2) — з іншого. Величина ξ-потенціалу характеризується як різниця потенціалів сукупності йонів дифузного шару й усіх йонів зліва від лінії ковзання 3–3 з урахуванням їхніх знаків. Значення ξ-потенціалу змінюється при варіюванні концентрації будь-яких електролітів у розчині.

Термодинамічний потенціал виникає на межі розділу «поверхня мінералу — рідина», а електрокінетичний потенціал — на поверхні ковзання 3–3, тому він є частиною термодинамічного.

Для дослідження ПЕШ використовують в основному три групи методів: адсорбційні, електрокапілярні та методи основанні на зарядженні ПЕШ.

• Адсорбція
• Електрокінетичний потенціал
• Теорія Гуї-Чапмана
• струм подвійного шару

• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2007. — Т. 2 : Л — Р. — 670 с. — ISBN 57740-0828-2.
• Химическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 2
• Дамаскин Б. Б., Петрий О. А., Введение вэлектрохимическую кинетику, 2 изд., М., 1983
• Делахай П. Двойной слой и кинетика элекродных процессов. — М.: Мир, 1967.