Подвійний електричний шар

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Схематичне зображення подвійного шару. Надпис вгорі — шар Гуї-Чепмена, внизу — шар Штерна

Подві́йний електри́чний шар (ПЕШ), (рос. двойной электрический слой (ДЭС), англ. double electric layer; нім. elektrische Doppelschicht f) — тонкий шар на межі двох фаз із просторово розділених електричних зарядів протилежного знаку. Оскільки просторовий розподіл зарядів завжди супроводжується виникненням електричної різниці потенціалів, ПЕШ можна розглядати, як своєрідний мікроконденсатор, відстань між обкладками якого визначається молекулярними розмірами.

Загальний опис[ред.ред. код]

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 ліозолей 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).

Утворення ПЕШ[ред.ред. код]

Подвійний електричний шар.JPG

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 μр < μе, 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 μр > μе, 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 μр = μе 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.

Методи вивчення ПЕШ[ред.ред. код]

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

Адсорбційні методи[ред.ред. код]

Методи основані на тому, що утворення ПЕШ пов'язано з адсорбцією різноманітних компонентів розчину і призводить до зміни їх концентрації.

Ці методи широко застосовують для вивчення ПЕШ, що утворюється на дисперсних частинках в колоїдних системах.

Електрокапілярні методи[ред.ред. код]

Сутність методів в тому, що утворення ПЕШ зменшує роботу, яка необхідна для створення нової поверхні поділу фаз, і тим самим призводить до залежності міжфазного натягу від потенціалу електрода.

Застосування електрокапілярних методів обмежено межею поділу між рідкими фазами, на яких можливий безпосередній вимір міжфазного натягу; для твердих електродів ці методи дають лише кількісну інформацію про будову ПЕШ.

Методи, основані на зарядженні ПЕШ[ред.ред. код]

До цих методів належать різноманітні гальваностатичні і потенціостатичні імпульсні методи, а також методи виміру електричної ємності ПЕШ (імпедансний метод, кулоностатичний метод, тощо).

Для успішного застосування цих методів необхідно, щоб вся підведена до електрода електрика була витрачена лише на зарядження ПЕШ і не витрачалась на електрохімічні реакції. Електроди, які задовольняють цим вимогам називають ідеально поляризованими.

Оптичні методи[ред.ред. код]

ПЕШ також можна вивчати оптичними методами, наприклад еліпсометрією. Можна визначити заряд поверхні електрода, його залежність від потенціалу електроду, потенціалу нульового заряду, електричної ємкості ПЕШ, а також поверхневі надлишки різноманітних компонентів розчину в залежності від потенціалу, заряду поверхні електрода чи їх об'ємної концентрації.

Див. також[ред.ред. код]

Література[ред.ред. код]

  • Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Донецьк : Донбас, 2004. — ISBN 966-7804-14-3.
  • 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.