1
Fakultet za fizičku hemiju, Univerzitet u Beogradu
Dvostruki električni sloj
-seminarski rad-
Profesor: dr Borivoj Adnađević Student: Danka Pantić 28/10
Januar ’2012
2
Sadržaj:
1 . Električni dvojni sloj..................................................................................3
1.1 Koloidna čestica i naelektrisanje....................................................3
1.2 Struktura koloidne čestice.............................................................5
1.3 Struktura dvostrukog električnog sloja........................................6
1.3.1 Helmholtz-ov sloj................................................................6
1.3.2 Gouy-Chapmann-ov doprinos teoriji DES.......................8
1.3.3 Stern-ov sloj........................................................................13
2. Interakcija dva sferna dvostruka sloja(Derjaguin-ova aproksimacija)....16
3. Primena i značaj dvostrukog električnog sloja.........................................18
4. Literatura....................................................................................................23
4
1.Električni dvojni sloj
1.1Koloidna čestica i naelektrisanje
Osnovna karakteristika koloidnih čestica jeste njihova veličina,koja je u opsegu od
nekoliko nanometara do sto nanometara. Tako da su to čestice koje su dovoljno male da budu
dispergovane u tečnosti, a opet dovoljno velike da mogu napr. da rasipaju svetlost.
Da bi smo govorili o nekom koloidnom sistemu , on mora biti u određenoj meri
stabilan. Stabilnost koloidnog sistema podrazumeva postojanost veličine i raspodele veličina
čestica i ravnomernost raspodele svake od čestica unutar sistema. Do tog cilja stiže se na
različite načine ,a put je pre svega određen prirodom koloidne čestice, kao i uslovima koji
diktiraju njeno ponašanje.
Tako možemo govoriti o veoma stabilnim sistemima kao što su liofilni koloidi i o veoma
nestabilnim sistemima kao što su liofobni koloidi.Dok liofilni koloidi svoju stabilnost ’brane’
pre svega solvatnim omotačem a zatim i naelektrisanjem, to je za liofobne koloide naročito
bitno postojanje naelektrisanja na česticama.
Dakle,naelektrisanje je bitno za sve koloidne čestice.Naelektrisavanjem
čestica,površinsko naelektrisanje rezultira interčestičnom odbojnom silom koja se
suprotstavlja van der Waals-ovim privlačnim interakcijama.
Kako ’steći’ naelektrisanje ?
Postoje različite metode kojima se mogu dobiti naelektrisanja na česticama. Pri tome se
ono može dalje modifikovati menjanjem okoline,kao što je pH,dodatak soli.Ali generalno
postoje četiri mehanizma(slika 1):
a)jonizacija grupa na površini čestica
(obično stepen i priroda jonizacije se određuje podešavanjem pH sredine)
b)adsorpcija jona( dodatkom jonskog surfaktanta)
c)rastvaranjem jonskih jedinjenja (soli)
d)izomorfna supstitucija(zasniva se na zameni jednog atoma drugim slične veličine;
5
napr.
kao kod glina)
Slika1 : Mehanizmi naelektrisavanja čestice u elektrolitu
1.2 Struktura koloidne čestice
Pretpostavimo da je čestica stabilizovana adsorpcijom jona iz rastvora(liofobna česica) i
to je jon koji je zajednički, prisutan u rastvoru i koji se ugrađuje u kristalnu rešetku koloidne
čestice.Koloidna čestica je neutralna,ali na površini kristala, čestice nisu u potpunosti zasitile
svoje mogućnosti vezivanja, pa će privlačiti jone iz svoje neposredne okoline.Usled velike
površinske energije, na njenoj površini se adsorbuju joni koji određuju naelektrisanje koloidne
čestice.Adsorbovani joni čine primaran adsorpcioni sloj.Adsorpcija je selektivna. Ako je u
rastvoru prisutno više jona koji se mogu adsorbovati, prvenstveno će se adsorbovati jon koji je
zajednički sa česticom ili koji sa nekim od jona kristalne rešetke gradi najmanje rastvorno
jedinjenje(Paneth-Fajans-Hahn-ovo pravilo).Faktori koji još mogu da utiču na tendenciju
koloidne čestice da adsorbuje jon jeste i koncentracija(adsorbuje se jon koji je prisutan u većoj
koncentraciji-ako su ostali faktori jednaki), naelektrisanje jona (sa većim naelektrisanjem),
veličina jona (sličniji jonu rešetke) .
Primarno adsorbovani joni su čvrsto vezani za površinu čestice i posmatraju se kao deo
čvrste faze. Joni primarnog sloja privlače iz rastvora suprotno naelektrisane jone( kontra joni)
koji neposredno okružuju čestice i čine sekundarni adsorpcioni sloj ili difuzioni sloj. Ovi joni
Jonizacija grupe na površini
Rastvaranje soli
Adsorpcija jona
Izomorfna supstitucija
Glina
a) jonizacija grupe na čestici
c)rastvaranje soli
b)adsorpcija jona
d) izomorfna supstitucija
Glina
7
A pošto se sila može definisati i kao negativan gradijent potencijala ,to možemo i jačinu polja
izraziti kao
Ψ-potencijal, x-rastojanje
Ako je veličina naelektrisanja +q. Tada će biti q linija sila koje potiču od naelektrisane čestice.
Na radijalnom rastojanju r od centra naelektrisanja, linije sila presecaju sfernu oblast površine
4π r
2
.Prema teoremi Gauss-Ostrograski-og,fluks linija jačine električnog polja kroz zatvorenu
površinu koja je normalna na te linije jednaka je jačini polja u toj tački.Ako se broj linija sila, u
vakuumu, podeli ovom površinom ,pokazuje se da
je
ova
veličina proporcionalna jačini polja,a
ε
o
je konstanta proporcionalnosti.
Primenjeno na prototip dvostrukog električnog sloja-kondenzator, gde imamo raznoimena
naelektrisanja ,ako je S površina ravne ploče kondenzatora naelektisanja q,količnik je gustina
naelektrisanja σ
σ=q/S
Odnosno
Eo=q/ε
o
·S=(σ/ε
o
)
Ako se između ploča unese supstanca dielektrične permitivnosti ε
r,
polje će biti utoliko manje.
Ec=q/ε
o
ε
r
·S=(σ/ε
o
ε
r
)
(usled indukovane orjentacije dipola dielektrika)
(dψ/dx) = (Δψ/δ) = (σ/ε
o
ε
r
)
Δψ-pad potencijala imeđu ploča na rastojanju δ
Prema ovom modelu,gustina naelektrisanja je linearna funkcija potencijala, što bi odgovaralo
slučaju da je svo naelektrisanje skoncentrisano unutar ove oblasti(tj. ukupno naelektrisanje je
jednako nuli) napr. za slučaj koncentrovanog rastvora elektrolita(0.1-1 M). Međutim ,za male
koncentracije, ovaj model nije primenljiv.Mora se uzeti u razmatranje i postojanje difuzionog
sloja u kome se gustina naelektrisanja menja(kako se pokazalo, na drugačiji način) sa
rastojanjem od međufaze (oblast površine uz čvrstu fazu koja je u kontaktu sa rastvorom, a koja
se razlikuje od unutrašnjosti obe faze).
1.3.2 Gouy-Chapmann-ov doprinos teoriji DES
