תופעות אלקטרוקפילריות

אם פני השטח של האלקטרוליט טעונים, אז מתח הפנים על פניו תלוי לא רק בהרכב הכימי של השלבים השכנים, אלא גם בתכונות החשמליות שלהם. מאפיינים אלה הם צפיפות המטען של פני השטח והפרש הפוטנציאל בממשק.

התלות (e) של מתח הפנים בהפרש הפוטנציאל של תופעה זו מתוארת על ידי עקומה אלקטרוקפילרית. ועצם התופעות פני השטח שבהן נצפית תלות זו נקראות תופעות אלקטרו-קפילריות.

אפשר לפוטנציאל האלקטרודה להשתנות בצורה כלשהי בממשק האלקטרודה-אלקטרוליט. במקרה זה, ישנם יונים על פני המתכת היוצרים מטען פני השטח וגורמים לנוכחות של שכבה כפולה חשמלית, אם כי אין כאן EMF חיצוני כלל.

יונים בעלי מטען דומה דוחים זה את זה על פני הממשק, ובכך מפצים על כוחות ההתכווצות של מולקולות הנוזל. כתוצאה מכך, מתח הפנים הופך נמוך יותר מאשר בהיעדר פוטנציאל עודף על האלקטרודה.

אם מטען של הסימן ההפוך מופעל על האלקטרודה, מתח הפנים יגדל מכיוון שכוחות הדחייה ההדדית של יונים יפחתו.

במקרה של פיצוי מוחלט של כוחות המשיכה על ידי הכוחות האלקטרוסטטיים של היונים הדוחים, מתח הפנים מגיע למקסימום. אם נמשיך לספק את המטען, אז מתח הפנים יקטן ככל שמטען פנים חדש יתעורר ויצמח.

במקרים מסוימים, החשיבות של תופעות אלקטרו-קפילריות רבה מאוד. הם מאפשרים לשנות את מתח הפנים של נוזלים ומוצקים, וכן להשפיע על תהליכים קולואידים-כימיים כגון הידבקות, הרטבה ופיזור.

הבה נפנה שוב את תשומת לבנו לצד האיכותי של תלות זו. מבחינה תרמודינמית, מתח פני השטח מוגדר כעבודת התהליך האיזוטרמי של יצירת משטח יחידה.

כאשר יש מטענים חשמליים באותו שם על משטח, הם ידחו זה את זה באופן אלקטרוסטטי. כוחות הדחייה האלקטרוסטטית יופנו באופן משיק אל פני השטח, תוך ניסיון להגדיל את שטחו בכל מקרה. כתוצאה מכך, העבודה למתיחה של המשטח הטעון תהיה פחותה מהעבודה שתידרש כדי למתוח משטח דומה אך ניטרלי מבחינה חשמלית.

כדוגמה, הבה ניקח את העקומה האלקטרו-קפילרית עבור כספית בתמיסות מימיות של אלקטרוליטים בטמפרטורת החדר.

בנקודת מתח הפנים המרבי המטען הוא אפס. משטח הכספית הוא ניטרלי מבחינה חשמלית בתנאים אלה.לפיכך, הפוטנציאל שבו מתח פני האלקטרודה הוא מקסימלי הוא פוטנציאל המטען האפס (ZCP).

גודל הפוטנציאל של אפס מטען קשור לאופי האלקטרוליט הנוזלי ולהרכב הכימי של התמיסה. הצד השמאלי של העקומה האלקטרונית, שבו פוטנציאל פני השטח קטן מהפוטנציאל של מטען אפס, נקרא ענף אנודי. הצד הימני הוא ענף הקתודה.

יש לציין ששינויים קטנים מאוד בפוטנציאל (בסדר גודל של 0.1 V) יכולים לייצר שינויים ניכרים במתח הפנים (בסדר גודל של 10 מ"ג למ"ר).

התלות של מתח הפנים בפוטנציאל מתוארת על ידי משוואת ליפמן:

תופעות אלקטרו-קפילריות מוצאות יישום מעשי ביישום ציפויים שונים על מתכות - הן מאפשרות לווסת את הרטבת מתכות מוצקות בנוזלים. משוואת ליפמן מאפשרת חישוב של מטען פני השטח והקיבול של השכבה הכפולה החשמלית.

בעזרת תופעות אלקטרו-קפילריות נקבעת פעילות פני השטח של חומרים פעילי שטח, שכן ליונים שלהם יש ספיחה ספציפית. במתכות מותכות (אבץ, אלומיניום, קדמיום, גליום) נקבעת יכולת הספיחה שלהן.

התיאוריה האלקטרו-קפילרית מסבירה את המקסימום בפולארוגרפיה. התלות של הרטיבות, קשיות ומקדם החיכוך של האלקטרודה בפוטנציאל שלה מתייחסת גם לתופעות אלקטרו-קפילריות.