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 - вязкость среды; 0= 8,85.1012 ф/м – абсолютная диэлектрическая прони-цаемость вакуума; - относительная диэлектрическая проницаемость среды (для воды – 81); - 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; - 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 -потен-циала.
По скорости переноса жидкости можно
определить величину дзета-потен-циала:
,
где
- удельная электропроводность среды, I
– сила тока, А;
- объемная скорость течения жидкости.
Соотношение /
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