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
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 вздовж нервових і м'язових волокон.
В основі теорії ПЕШ лежить термодинамічний підхід, (англ. Gouy-Chapman theory) і уявлення про адсорбцію на поверхні метал-електроліт.
У випадку 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 компенсаційних 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
ПЕШ виникає внаслідок:
- Обміну йонів між металом і розчином
- Специфічної адсорбції йонів на поверхні електрода
- 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 — 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 називається .
Структура ПЕШ
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 разі, 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 довкілля рухаються разом із нею. Ці катіони, розташовані у шарі К, складають щільну частину зовнішньої обкладинки подвійного електричного шару (). 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 . 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 в міру 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.
Методи вивчення ПЕШ
Для дослідження ПЕШ використовують в основному три групи методів: адсорбційні, електрокапілярні та методи основанні на зарядженні ПЕШ.
Адсорбційні методи
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
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 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
До цих методів належать різноманітні і імпульсні методи, а також методи виміру електричної ємності ПЕШ (, , тощо).
Для успішного застосування цих методів необхідно, щоб вся підведена до електрода електрика була витрачена лише на зарядження ПЕШ і не витрачалась на . Електроди, які задовольняють цим вимогам називають .
Оптичні методи
ПЕШ також можна вивчати оптичними методами, наприклад еліпсометрією. Можна визначити заряд поверхні електрода, його залежність від потенціалу електрода, 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
Література
- Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2007. — Т. 2 : Л — Р. — 670 с. — .
- 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.
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Podvi jnij elektri chnij shar PESh ros dvojnoj elektricheskij sloj DES angl double electric layer nim elektrische Doppelschicht f tonkij shar na mezhi dvoh faz iz prostorovo rozdilenih elektrichnih zaryadiv protilezhnogo znaku Oskilki prostorovij rozpodil zaryadiv zavzhdi suprovodzhuyetsya viniknennyam elektrichnoyi riznici potencialiv PESh mozhna rozglyadati yak svoyeridnij mikrokondensator vidstan mizh obkladkami yakogo viznachayetsya molekulyarnimi rozmirami Shematichne zobrazhennya podvijnogo sharu Nadpis vgori shar Guyi Chepmena vnizu shar ShternaZagalnij opisUtvorennya PESh suttyevo vplivaye na shvidkist elektrodnih procesiv stijkist dispersnih sistem zmochuvanist til adsorbciyu koeficiyent tertya na mezhi dvoh faz ta inshi vlastivosti mizhfaznoyi granici i vidpovidno procesi yaki pov yazani z mizhfaznimi efektami flotaciyu briketuvannya zi zv yazuyuchim aglomeraciyu znevodnennya sedimentaciyu filtraciyu tosho V biologichnih sistemah procesi utvorennya i rujnuvannya PESh na klitinnih membranah suprovodzhuyut rozpovsyudzhennya vzdovzh nervovih i m yazovih volokon V osnovi teoriyi PESh lezhit termodinamichnij pidhid angl Gouy Chapman theory i uyavlennya pro adsorbciyu na poverhni metal elektrolit U vipadku PESh skladayetsya z joniv odnogo znaku yaki micno zv yazani z dispersnoyu fazoyu potencialviznachalni joni i ekvivalentnoyi kilkosti protilezhno zaryadzhenih joniv yaki znahodyatsya u ridkomu dispersijnomu seredovishi bilya mizhfaznoyi poverhni protijoni Zaryad na poverhni tverdoyi fazi rozglyadayetsya yak poverhnevij zaryad Struktura sharu protijoniv zgidno z teoriyeyu Guyi Chepmena skladayetsya z dvoh shariv shilnogo i difuznogo Nayavnist ostannogo poyasnyuyetsya teplovim ruhom molekul Kriva elektrichnogo potencialu u pripoverhnevij zoni maye krutishu dilyanku de bilshe kompensacijnih protijoniv i mensh krutu de yih menshe Difuzna chastina PESh vidrivayetsya pri ruhovi ridini abo tverdoyi chastinki Pri comu potencial difuznoyi chastini PESh prijmayut rivnim dzeta potencialu div elektrokinetichnij potencial Utvorennya PEShPESh vinikaye vnaslidok Obminu joniv mizh metalom i rozchinom Specifichnoyi adsorbciyi joniv na poverhni elektroda Adsorbciyi poverhnevo aktivnih rechovin tobto oriyentovanoyi adsorbciyi polyarnih molekul bilya mezhi podilu faz Pri zanurenni metalevogo elektroda v rozchin elektrolitu mizh metalom i rozchinom vinikaye PESh a na mezhi rozpodilu faz vinikaye stribok potencialu Yaksho himichnij potencial kationiv metalu v rozchini menshe nizh v elektrodi mr lt me to ci kationi zalishayut elektrod i nadlishok negativnogo zaryadu na poverhni elektroda prityaguye do poverhni metalu pozitivni joni Takim chinom vzdovzh poverhni elektroda utvoryuyetsya PESh Navpaki yaksho himichnij potencial kationiv v rozchini bilshe nizh v elektroda mr gt me to kationi vidilyayutsya z rozchinu na poverhni elektroda i prityaguyut do poverhni metalu anioni z rozchinu elektrolitu Odna obkladka PESh pozitivni zaryadi zi storoni metalu insha negativni zaryadi anioniv z boku rozchinu Shlyahom viboru koncentraciyi potencialviznachayuchih joniv v rozchini mozhna dosyagti takoyi situaciyi koli umova mr me ne potrebuye perehodu joniv z metala v rozchin chi navpaki V comu vipadku zaryad poverhni metala dorivnyuye nulyu a jogo potencial vidnosno nazivayetsya Struktura PEShYaksho pripustiti sho u rozchin iz zovnishnogo sharu A kristalichnoyi gratki mineralu roztashovanogo mizh liniyami 1 1 ta 2 2 perehodyat perevazhno kationi to u comu vipadku poverhnya mineralu zdobuvaye negativnij zaryad Pislya togo yak mizh rozchinom i tverdoyu fazoyu vstanovitsya rivnovaga vpravo vid liniyi 1 1 yaka ye mezheyu mizh zminenim i nezminenim sharami gratki mineralu budut znahoditisya perevazhno anioni mineralu i same cej shar bude zaryadzhenij negativno u krajnomu razi yak pokazano na ris a u comu shari budut tilki anioni Ukazana chastina podvijnogo elektrichnogo sharu nazivayetsya jogo vnutrishnoyu obkladinkoyu i poznachena bukvoyu A tomu sho cej shar skladayetsya v osnovnomu iz anioniv mineralu Joni vnutrishnoyi obkladinki A podvijnogo elektrichnogo sharu roztashovani uporyadkovano i micno zv yazani z kristalichnoyu gratkoyu mineralu Fizichnoyu mezheyu mineralu i vodnogo rozchinu ye liniya 2 2 Bezposeredno za ciyeyu mezheyu roztashovano nastupnij uporyadkovanij shar joniv zaryadzhenih pozitivno tobto kationiv Kationi sho bezposeredno prilyagayut do vnutrishnoyi obkladinki podvijnogo elektrichnogo sharu micno zv yazani z zaryadzhenoyu poverhneyu mineralu i pri rusi mineralnoyi chastinki vidnosno dovkillya ruhayutsya razom iz neyu Ci kationi roztashovani u shari K skladayut shilnu chastinu zovnishnoyi obkladinki podvijnogo elektrichnogo sharu Viddaleni vid vnutrishnoyi obkladinki kationi zv yazani z neyu slabshe i pri peremishenni mineralnoyi chastinki u seredovishi vidstayut vid neyi Cej shar joniv protilezhnogo znaku shar K nazivayut difuznim abo Liniya 4 4 ye mezheyu mizh difuznim sharom i seredovishem sho praktichno ne mistit kationiv Podvijnij elektrichnij shar mozhe takozh utvoryuvatis na poverhni bulbashki poverhni rozdilu povitrya voda i kraplini apolyarnogo masla u vodi poverhni rozdilu maslo voda pri adsorbciyi na mizhfaznij poverhni napr geteropolyarnih joniv abo molekul Oskilki poverhnya chastinki maye zaryad u prostori sho otochuye chastinku vinikaye elektrichne pole harakter zmini potencialu yakogo v miru viddalennya vid poverhni mineralu pokazano na ris b Potencial f polya na mizhfaznij poverhni nazivayetsya povnim abo termodinamichnim a na mezhi shariv Shterna i Gyuyi elektrokinetichnim abo dzeta potencialom 3 Znachennya f potencialu mineralu zalezhit vid koncentraciyi potencial viznachalnih joniv tobto joniv z yakih skladayetsya mineral i joniv sho yim izomorfni Velichina f potencialu harakterizuyetsya yak riznicya potencialiv mizh jonami zovnishnoyi obkladinki z odnogo boku i jonami vnutrishnoyi obkladinki zliva vid liniyi 2 2 z inshogo Velichina 3 potencialu harakterizuyetsya yak riznicya potencialiv sukupnosti joniv difuznogo sharu j usih joniv zliva vid liniyi kovzannya 3 3 z urahuvannyam yihnih znakiv Znachennya 3 potencialu zminyuyetsya pri variyuvanni koncentraciyi bud yakih elektrolitiv u rozchini Termodinamichnij potencial vinikaye na mezhi rozdilu poverhnya mineralu ridina a elektrokinetichnij potencial na poverhni kovzannya 3 3 tomu vin ye chastinoyu termodinamichnogo Metodi vivchennya PEShDlya doslidzhennya PESh vikoristovuyut v osnovnomu tri grupi metodiv adsorbcijni elektrokapilyarni ta metodi osnovanni na zaryadzhenni PESh Adsorbcijni metodi Metodi osnovani na tomu sho utvorennya PESh pov yazano z adsorbciyeyu riznomanitnih komponentiv rozchinu i prizvodit do zmini yih koncentraciyi Ci metodi shiroko zastosovuyut dlya vivchennya PESh sho utvoryuyetsya na dispersnih chastinkah v koloyidnih sistemah Elektrokapilyarni metodi Sutnist metodiv v tomu sho utvorennya PESh zmenshuye robotu yaka neobhidna dlya stvorennya novoyi poverhni podilu faz i tim samim prizvodit do zalezhnosti mizhfaznogo natyagu vid potencialu elektroda Zastosuvannya obmezheno mezheyu podilu mizh ridkimi fazami na yakih mozhlivij bezposerednij vimir mizhfaznogo natyagu dlya tverdih elektrodiv ci metodi dayut lishe kilkisnu informaciyu pro budovu PESh Metodi osnovani na zaryadzhenni PESh Do cih metodiv nalezhat riznomanitni i impulsni metodi a takozh metodi vimiru elektrichnoyi yemnosti PESh tosho Dlya uspishnogo zastosuvannya cih metodiv neobhidno shob vsya pidvedena do elektroda elektrika bula vitrachena lishe na zaryadzhennya PESh i ne vitrachalas na Elektrodi yaki zadovolnyayut cim vimogam nazivayut Optichni metodi PESh takozh mozhna vivchati optichnimi metodami napriklad elipsometriyeyu Mozhna viznachiti zaryad poverhni elektroda jogo zalezhnist vid potencialu elektroda potencialu nulovogo zaryadu elektrichnoyi yemkosti PESh a takozh poverhnevi nadlishki riznomanitnih komponentiv rozchinu v zalezhnosti vid potencialu zaryadu poverhni elektroda chi yih ob yemnoyi koncentraciyi Div takozhAdsorbciya Elektrokinetichnij potencial strum podvijnogo sharu Poverhnevij zaryad yemnist podvijnogo sharuLiteraturaMala girnicha enciklopediya u 3 t za red V S Bileckogo D Donbas 2007 T 2 L R 670 s ISBN 57740 0828 2 Himicheskaya enciklopediya M Sovetskaya enciklopediya 1988 T 2 Damaskin B B Petrij O A Vvedenie velektrohimicheskuyu kinetiku 2 izd M 1983 Delahaj P Dvojnoj sloj i kinetika elekrodnyh processov M Mir 1967