Электрокинетические явления

К электрокинетическим явлениям относят процессы, связанные с относитель-ным движением фаз под действием электрического поля и возникновением разности потенциалов при смещении фаз. Они обусловлены взаимосвязью между электрическими и кинетическими свойствами дисперсных систем, т.е. наличием двойного электрического слоя на границе твердой и жидкой фаз.

Электрокинетические явления, которые возникают под действием внешнего электрического поля называют прямыми или явлениями I рода. К ним относят электрофорез и электроосмос. Эти явления были открыты в 1808 г. Ф.Ф.Рейсом.

Он погрузил две стеклянные трубки во влажную глину, поместил в них электроды и заполнил водой. При пропускании электри-ческого тока обнаружил движение частиц глины к положительному электроду. Это явление было названо электрофорезом. При пропускании электрического тока наблю-далось поднятие уровня воды в одном, и снижение в другом колене. После выключе-ния тока уровни выровнялись. Это явление перемещения дисперсионной среды относи-тельно неподвижной дисперсной фазы в постоянном электрическом поле было названо электроосмосом.

Позже было обнаружено возникновение разности потенциалов при пропуска-нии через пористую диафрагму жидкости под давлением. Это явление Квинке назвал потенциалом протекания.

Дорн обнаружил, что при оседании частиц под действием силы тяжести возникает разность потенциалов между уровнями разной высоты в сосуде. Это явление было названо потенциалом седиментации (или оседания). Потенциалы протекания и оседания относят к явлениям

II рода или обратным явлениям. Потенциал протекания обратен электрофорезу, а потенциал седиментации – электроосмосу.

Электрофорез. Из всех электрокинетических явлений широкое применение нашло электрофорез. При электрофорезе происходит направленное перемещение частиц дисперсной фазы и противоионов диффузного слоя к противоположным электродам вследствие разрыва двойного электрического слоя. Скорость движения частиц (гранулы) зависит от величины дзета-потенциала. Эту зависимость выра-жают через уравнение Гельмгольца-Смолуховского: ,

где h - вязкость среды; e₀= 8,85^.10^-12 ф/м – абсолютная диэлектрическая прони-цаемость вакуума; e - относительная диэлектрическая проницаемость среды (для воды – 81); u - линейная скорость движения частиц, м²/с; Е – напряженность поля (градиент потенциалов), В.

Однако линейная скорость зависит от напряженности поля и поэтому для характеристики частиц вво-дится понятие «электрофорети-ческая подвижность». Она равна скорости движения частиц при градиенте потенциалов, равном одной единице (Е = 1 В): , м2/В.с.

Где l – расстояние между электродами, м; s – перемещение границы золя, м; V – прилагаемое напряжение, в; t - время, с.

Тогда дзета-потенциал определяется по формуле: . Для коллоидных систем, в среднем, он составляет 1,5 – 75 мВ.

Электрофорез является одним из методов изучения фракционного состава при-родных белков, характеристики биологических объектов (экзим, вирусов, формен-ных элементов крови и др.), диагностики патологий биологических жидкостей. С помощью электрофореза можно выделять из суспензий дисперсную фазу, покры-вать твердые частицы другими веществами. В фармакопеи предусмотрено уста-новление степени чистоты по электрофоретической однородности некоторых антибиотиков, витаминов. Электрофорез на бумаге, агаровом или крахмальном геле применяется как аналитический и препаративный метод разделения и выделе-ния лекарственных веществ и биологически активных соединений. В медицине электрофорез используется как метод лечения (ионофорез – метод введения лечебных препаратов в организм человека).

Электроосмос. При электроосмосе наблюдается направленное движение жид-кости через неподвижную пористую диафрагму под действием электрического поля. Материалом мембраны может быть силикагель, глинозем, стеклянные капил-ляры, толченое стекло, кварцевый песок, нерастворимые порошки. Для наблюде-ния электроосмоса U-образный прибор заполняют водой и пропускают электри-ческий ток.

Под действием электрического тока уровни жидкости в коленах прибора меняются. Направление переноса жидкости указывает на знак z-потен-циала. По скорости переноса жидкости можно определить величину дзета-потен-циала: , где c - удельная электропроводность среды, I – сила тока, А; u - объемная скорость течения жидкости. Соотношение ^u/ _I характеризует природу мембраны. Оно выражает объем жидкости, перенесенный в единицу времени на единицу количества электричества.

При пропускании электрического тока противоионы диффузного слоя перемещаются к противопо-ложно заряженным электродам. Так как ионы всегда сольватиро-ваны (гидратированы), то при движении иона с ним увлекается определенный объем дисперсион-ной среды. Чем больше толщина

диффузного слоя и меньше площадь поперечного сечения капилляра (поры мембраны), тем сильнее проявляется электроосмотический перенос жидкости.

Электроосмос применяется для обезвоживания и сушки пористых материалов, концентрирования коллоидных систем. Для этой цели используют электрофильтр-прессы. Они представляют собой две горизонтально расположенные пластины, между которыми помещают вещество, подлежащее обезвоживанию. Удаление

воды достигается наложением электрического тока между пластинами: при этом нижняя перфорированная пластина заряжается про-тивоположно заряду жидкой фазы, а верхняя – со знаком заряда водной фазы. Вследствие этого жидкость устремляется к нижнему электроду и удаляется через отверстия.

Лекция № 4