Ηλεκτροτριχοειδή φαινόμενα

Εάν η επιφάνεια του ηλεκτρολύτη είναι φορτισμένη, τότε η επιφανειακή τάση στην επιφάνειά του εξαρτάται όχι μόνο από τη χημική σύσταση των γειτονικών φάσεων, αλλά και από τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες. Αυτές οι ιδιότητες είναι η πυκνότητα του επιφανειακού φορτίου και η διαφορά δυναμικού στη διεπιφάνεια.

Επιφανειακή πυκνότητα φορτίου

Η εξάρτηση (ε) της επιφανειακής τάσης από τη διαφορά δυναμικού για αυτό το φαινόμενο περιγράφεται από μια ηλεκτροτριχοειδή καμπύλη. Και τα ίδια τα επιφανειακά φαινόμενα όπου παρατηρείται αυτή η εξάρτηση ονομάζονται ηλεκτροτριχοειδή φαινόμενα.

Αφήστε το δυναμικό του ηλεκτροδίου να αλλάξει με κάποιο τρόπο στη διεπιφάνεια ηλεκτροδίου-ηλεκτρολύτη. Σε αυτή την περίπτωση, υπάρχουν ιόντα στη μεταλλική επιφάνεια που σχηματίζουν επιφανειακό φορτίο και προκαλούν την παρουσία ηλεκτρικής διπλής στρώσης, αν και δεν υπάρχει καθόλου εξωτερικό EMF εδώ.

Τα όμοια φορτισμένα ιόντα απωθούνται μεταξύ τους σε όλη την επιφάνεια της διεπιφάνειας, αντισταθμίζοντας έτσι τις δυνάμεις συστολής των μορίων του υγρού. Ως αποτέλεσμα, η επιφανειακή τάση γίνεται χαμηλότερη από ό,τι απουσία υπερβολικού δυναμικού στο ηλεκτρόδιο.

Εάν εφαρμοστεί φορτίο του αντίθετου πρόσημου στο ηλεκτρόδιο, η επιφανειακή τάση θα αυξηθεί επειδή οι δυνάμεις αμοιβαίας απώθησης των ιόντων θα μειωθούν.

Στην περίπτωση απόλυτης αντιστάθμισης των ελκτικών δυνάμεων από τις ηλεκτροστατικές δυνάμεις των απωστικών ιόντων, η επιφανειακή τάση φτάνει στο μέγιστο. Εάν συνεχίσουμε να τροφοδοτούμε το φορτίο, τότε η επιφανειακή τάση θα μειωθεί καθώς θα προκύψει και θα αυξηθεί νέο επιφανειακό φορτίο.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, η σημασία των ηλεκτροτριχοειδών φαινομένων είναι πολύ μεγάλη. Επιτρέπουν την αλλαγή της επιφανειακής τάσης υγρών και στερεών, καθώς και την επίδραση κολλοειδών-χημικών διεργασιών όπως η πρόσφυση, η διαβροχή και η διασπορά.

Ας στρέψουμε ξανά την προσοχή μας στην ποιοτική πλευρά αυτής της εξάρτησης. Θερμοδυναμικά, η επιφανειακή τάση ορίζεται ως το έργο της ισοθερμικής διαδικασίας σχηματισμού μιας επιφάνειας μονάδας.

Επιφανειακή τάση

Όταν υπάρχουν ηλεκτρικά φορτία με το ίδιο όνομα σε μια επιφάνεια, θα απωθούν ηλεκτροστατικά το ένα το άλλο. Οι δυνάμεις της ηλεκτροστατικής απώθησης θα κατευθύνονται εφαπτομενικά στην επιφάνεια, προσπαθώντας έτσι κι αλλιώς να αυξήσουν την έκτασή της. Ως αποτέλεσμα, η εργασία για το τέντωμα της φορτισμένης επιφάνειας θα είναι μικρότερη από την εργασία που θα απαιτούνταν για να τεντωθεί μια παρόμοια αλλά ηλεκτρικά ουδέτερη επιφάνεια.

Ηλεκτροτριχοειδική καμπύλη για τον υδράργυρο σε υδατικά διαλύματα ηλεκτρολυτών σε θερμοκρασία δωματίου

Για παράδειγμα, ας πάρουμε την ηλεκτροτριχοειδή καμπύλη για τον υδράργυρο σε υδατικά διαλύματα ηλεκτρολυτών σε θερμοκρασία δωματίου.

Στο σημείο της μέγιστης επιφανειακής τάσης το φορτίο είναι μηδέν. Η επιφάνεια του υδραργύρου είναι ηλεκτρικά ουδέτερη υπό αυτές τις συνθήκες.Έτσι, το δυναμικό στο οποίο η επιφανειακή τάση του ηλεκτροδίου είναι μέγιστη είναι το μηδενικό δυναμικό φόρτισης (ZCP).

Το μέγεθος του δυναμικού μηδενικού φορτίου σχετίζεται με τη φύση του υγρού ηλεκτρολύτη και τη χημική σύσταση του διαλύματος. Η αριστερή πλευρά της ηλεκτροτριχοειδής καμπύλης, όπου το επιφανειακό δυναμικό είναι μικρότερο από το δυναμικό μηδενικού φορτίου, ονομάζεται ανοδικός κλάδος. Η δεξιά πλευρά είναι ο κλάδος της καθόδου.

Πρέπει να σημειωθεί ότι πολύ μικρές αλλαγές στο δυναμικό (της τάξης του 0,1 V) μπορούν να προκαλέσουν αξιοσημείωτες αλλαγές στην επιφανειακή τάση (της τάξης των 10 mJ ανά τετραγωνικό μέτρο).

Η εξάρτηση της επιφανειακής τάσης από το δυναμικό περιγράφεται από την εξίσωση Lippmann:

Η εξάρτηση της επιφανειακής τάσης από το δυναμικό περιγράφεται από την εξίσωση Lippmann

Τα ηλεκτροτριχοειδή φαινόμενα βρίσκουν πρακτική εφαρμογή στην εφαρμογή διαφόρων επικαλύψεων σε μέταλλα — καθιστούν δυνατή τη ρύθμιση της διαβροχής στερεών μετάλλων με υγρά. Η εξίσωση Lippmann επιτρέπει τον υπολογισμό του επιφανειακού φορτίου και της χωρητικότητας του ηλεκτρικού διπλού στρώματος.

Με τη βοήθεια ηλεκτροτριχοειδών φαινομένων προσδιορίζεται η επιφανειακή δραστηριότητα των επιφανειοδραστικών, αφού τα ιόντα τους έχουν συγκεκριμένη προσρόφηση. Σε λιωμένα μέταλλα (ψευδάργυρος, αλουμίνιο, κάδμιο, γάλλιο) προσδιορίζεται η ικανότητα προσρόφησής τους.

Η θεωρία των ηλεκτροτριχοειδών εξηγεί τα μέγιστα στην πολαρογραφία. Η εξάρτηση της διαβρεξιμότητας, της σκληρότητας και του συντελεστή τριβής του ηλεκτροδίου από το δυναμικό του αναφέρεται και σε ηλεκτροτριχοειδή φαινόμενα.

Σας συμβουλεύουμε να διαβάσετε:

Γιατί το ηλεκτρικό ρεύμα είναι επικίνδυνο;