Электрофорез и электроосмос уравнение гельмгольца смолуховского

Электрокинетические явления и электрофорез (терминология, понятие, общие сведения, применение в медицине и биологии)

Электрокинетические явления (греч. Elektron — янтарь + kynesis — движение) — это группа явлений, обусловленных наличием на границе раздела фаз дисперсных систем (см. Дисперсные системы) двойного электрического слоя (ДЭС) и способностью диффузной части этого слоя перемещаться относительно электростатически и адсорбционно связанной неподвижной его части.

Вследствие избирательной адсорбции одного из ионов электролита, содержащегося в дисперсионной среде, либо за счет поверхностной диссоциации функциональных групп (поверхностная ионизация) на поверхности частиц дисперсной фазы возникает электрический заряд. Электрические заряды поверхности частиц с противоположно заряженными ионами (противоионами) дисперсионной среды образуют двойной электрический слой (ДЭС). Одна часть противоионов прилегает непосредственно к заряженной поверхности, образуя адсорбционный (плотный) слой — слой Гельмгольца. Вторая часть противоионов под действием теплового движения распространяется в глубину фазы, образуя диффузный слой — слой Гуи — Чепмена. Заряд твердой поверхности характеризует величину поверхностного потенциала φ0, который состоит из падения потенциала φδ в диффузной части и разности потенциалов φ0 — φδ. Причем часть потенциала φδ дает значение электрокинетического (дзета) ξ-потенциала, который соответствует разности потенциалов между границей скольжения жидкости и глубиной раствора. Предел скольжения — это граница между неподвижной, связанной с поверхностью, и подвижной частями двойного слоя, то есть граница между частью, способной двигаться в электрическом поле, и окружающей жидкостью. Величина ξ-потенциала может служить мерой интенсивности электрокинетических явлений.

К электрокинетическим явлениям принадлежат электрофорез, электроосмос, потенциалы течения и седиментации.

Строение двойного электрического слоя — изменение в нем потенциала: δ — толщина слоя Гельмгольца; λ — толщина слоя Гуи -Чепмена (расстояние, на котором потенциал диффузной части слоя φδ уменьшается в е раз)

Электрофорез (катофореза) (рус. Электричество + греч. Рhoresis — несение, перенесение) — явление направленного перемещения заряженных микрочастиц в жидком (чаще всего в одном) среде под действием внешнего электрического поля. Механизм электрофореза состоит в том, что под действием электрического поля двойного электрического слоя частиц дисперсной фазы разрывается на грани скольжения, частица приобретает определенный заряда и перемещается к противоположно заряженному электроду, а противоионы диффузного слоя двигаются в противоположную сторону. Линейная скорость перемещения заряженной частицы (дисперсной фазы) u0 определяется по уравнению Гельмгольца — Смолуховского:

u0 = ε ε0 ζ Ε / η,

где: ε — относительная диэлектрическая проницаемость среды; ε0 — электрическая постоянная 8,854 • 10-12 Ф / м; Ε — напряженность электрического поля; η — вязкость среды.

Электроосмос (электроэндоосмос) — (рус. Электричество + греч. Osmos — толкание, давление) — явление направленного перемещения жидкостей через твердые капиллярно-пористые материалы и диафрагмы под действием внешнего электрического поля. Механизм электроосмоса можно объяснить следующим образом.

На внутренней поверхности капилляров диафрагмы образуется двойной электрический слой вследствие поверхностной диссоциации функциональных групп, избирательной адсорбции одного из ионов электролита, содержащегося в растворе, или в результате адсорбции на поверхности капилляра ионов Н + или ОН, всегда присутствующих в воде. При наложении электрического поля диффузный слой противоионов по границе скольжения движется параллельно недвижимого адсорбционного слоя к электроду соответствующего знака, при этом с ним движется и определенная часть дисперсионной среды, так как между гидратной оболочкой иона и окружающей жидкостью действуют силы внутреннего трения и молекулярного сцепления. К противоположному электрода движутся те ионы из объема жидкости, которые имеют знак, противоположный знаку противоионов. Объемная скорость течения жидкости (v = u0 s) через пористую диафрагму определяется по уравнению Гельмгольца — Смолуховского:

v = ε ε0 ζ I / κ η,

где I — сила тока; k — удельная электрическая проводимость; s — площадь поперечного сечения капилляров. В приведенное уравнение не входят размеры капилляра, что позволяет измерить объемную скорость течения жидкости не через отдельный капилляр, а через систему капилляров, то есть через пористую диафрагму.

Явление, обратное к электроосмосу, является потенциалом течения. При течении под давлением жидкости через пористую диафрагму между противоположными поверхностями диафрагмы (на концах капилляров) возникает разность потенциалов, которую называют потенциалом течения. Он обусловлен наличием ДЭС на границе раздела фаз. При течении под давлением жидкости через пористую диафрагму происходит деформация двойного электрического слоя, а ионы диффузного слоя смещаются в направлении потока жидкости. В результате движения зарядов вдоль границы возникает поверхностный ток и разность потенциалов на концах капилляров диафрагмы; эта разность потенциалов, в свою очередь, приводит к появлению тока проводимости вобратном направлении. Разность потенциалов увеличивается, пока эти токи не сравнятся. С этого момента она приобретает установившегося значения: Uт = ε ε0 ζ Р / ηκ, где Р — давление, вызывает течение жидкости. При осадке дисперсных частиц под действием силы тяжести двойного электрического слоя, окружающих частицу, деформируются за счет трения о слой жидкости. В результате диффузные ионы отстают от частиц, которые движутся, и по высоте оседания возникает разность потенциалов, которую называют потенциалом седиментации uс — явление, обратное к электрофореза.

Потенциал седиментации определяют по уравнению: uс = ε ε0 ζ φ (ρ-ρ0) g / ηκ, где ρ и ρ0 — плотность дисперсной фазы и дисперсионной среды; g — ускорение силы тяжести; φ — объемная доля дисперсной фазы, для сферических частиц радиусом r и количеством n в единице объема равняется.

Применение электрокинетических явлений в медицине и биологии

Электрокинетические явления широко используют в фармации, биологии, медицине. Так, в фармации электрофорез используют как аналитический и препаративный метод разделения и выделения различных лекарственных веществ и БАВ. По ним определяют степень чистоты антибиотиков, витаминов и др. С его помощью лекарственные препараты вводят в организм человека (см. Электрофорез лекарств).

Исследование электрофореза открыли возможности для характеристики сложных природных белков (их фракционного состава), характеристики энзимов, вирусов, бактерий, форменных элементов крови и др. Сегодня электрофорез является одним из основных методов в нейрофизиологических, нейрофармакологической и нейрохирургических исследованиях. Электроосмос используют для обезвоживания перевязочного материала и ин.

Литература

1. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. — М., 1976;
2. Духин С.С. Электропроводность и электрокинетические свойства дисперсных систем. — М., 1975;
3. Парфенов А.П. Электрофорез лекарственных веществ. — Л., 1973;
4. Физическая и коллоидная химия / В.И. Кабачный, Л.К. Осипенко, Л.Д. Грицан и др. — Х., 1999.

Полезно знать

© VetConsult+, 2015. Все права защищены. Использование любых материалов, размещённых на сайте, разрешается при условии ссылки на ресурс. При копировании либо частичном использовании материалов со страниц сайта обязательно размещать прямую открытую для поисковых систем гиперссылку, расположенную в подзаголовке или в первом абзаце статьи.

Курсовая работа: Электрокинетические явления в дисперсных системах

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Курсовая работа по физической химии:

« Электрокинетические явления в дисперсных системах»

студентка 3-в группы

I. Двойной электрический слой

I.1.Механизмы образования двойного электрического слоя

I.2. Строение двойного электрического слоя

I.2.1. Теория Гельмгольца

II. Электрокинетический потенциал

III. Электроосмос и электрофорез

IV. Потенциал течения и седиментации

V. Практическое использование электрокинетических явлений

Электрокинетические явления были открыты профессором Московского университета Ф.Ф.Рейсом в 1808г. при исследовании электролиза воды.

Явление перемещения жидкости в пористых телах под действием электрического поля получило название электроосмоса, а явление перемещения частиц –электрофореза.

В 1859г. Квинке обнаружил явление, обратное электроосмосу, т.е. при течении жидкости через пористое тело под действием перепада давлений возникает разность потенциалов. Возникновение разности потенциалов Квинке наблюдал при течении воды и водных растворов через разнообразные пористые материалы (глина, дерево, графит и др.). Это явление получило название потенциала течения (или потенциала протекания).

Количественное исследование эффекта, обратного электрофорезу, впервые было выполнено Дорном в 1878г. Он измерял возникающую разность потенциалов при седиментации частиц суспензии кварца в центробежном поле. Явление возникновения разности потенциалов при осаждении дисперсной фазы получило название потенциала седиментации (или потенциала оседания).

Таким образом, по причинно-следственным признакам электрокинетические явления в дисперсных системах делят на две группы. К первой группе относят явления, при которых относительное движение фаз обусловлено электрической разностью потенциалов; это электроосмос и электрофорез. Ко второй группе электрокинетических явлений принадлежат потенциал течения и потенциал седиментации, при которых относительное движение фаз вызывает возникновение электрической разности потенциалов.

Наибольшее практическое применение получили электрофорез и электроосмос.

I. Двойной электрический слой

Причина электрокинетических явлений в том, что на поверхности есть двойной электрический слой, имеющий диффузное строение и это приводит к тому, что фаза и среда заряжены противоположно. Т.к. частицы стремятся уменьшить поверхностную энергию, то все они стремятся адсорбироваться на поверхности.

I.1.Механизмы образования двойного электрического слоя

Существуют следующие механизмы образования двойного электрического слоя:

1) Ионизация поверхности. Металл теряет электроны и заряжается положительно.

2) Избирательная адсорбция ионов. Поверхность адсорбирует ион более близкий по природе.

3) Образование двойного электрического слоя за счёт адсорбции на поверхности полярных молекул. Правило Кёна: положительно заряжается та фаза, которая имеет большую диэлектрическую проницаемость.

I.2. Строение двойного электрического слоя

Двойной электрический слой состоит из ионов одного знака, относительно прочно связанных с дисперсной твёрдой фазой (потенциалопределяющие ионы), и эквивалентного количества противоположно заряженных ионов, находящихся в жидкой среде вблизи межфазной поверхности (противоионы). Заряд на поверхности твёрдой фазы в первом приближении рассматривается как поверхностный заряд, равномерно распределённый по всей поверхности. Между противоионами и свободными (не входящими в состав двойного электрического слоя) ионами того же знака, находящимися в жидкости, существует динамическое равновесие. Дисперсионная среда представляется всегда как непрерывная фаза, влияние которой на двойной электрический слой определяется лишь её диэлектрической проницаемостью.

При таких предпосылках отличие между теориями строения двойного электрического слоя заключается только лишь в различном толковании структуры слоя противоионов.

I.2.1. Теория Гельмгольца

Согласно этой теории двойной слой представляется как бы плоским конденсатором, одна обкладка которого связана непосредственно с поверхностью твёрдого тела (стенкой), а другая обкладка, несущая противоположный заряд, находится в жидкости на очень малом расстоянии от первой. Потенциал в таком двойном слое должен падать по прямой, а значение поверхностного заряда будет определяться известной из физики формулой:

(I.1)

-абсолютная диэлектрическая проницаемость среды;

-разность потенциалов между обкладками конденсатора;

-расстояние между обкладками

На рис.1 дана схема строения такого двойного электрического слоя, он также иллюстрирует падение потенциала с увеличением расстояния x от поверхности твёрдого тела.

Приведённая схема строения двойного электрического слоя не объясняет ряд особенностей электрокинетических явлений.

Основным недостатком является то, что толщина двойного слоя очень мала и имеет молекулярный размер. Данная теория не может объяснить электроосмос и электрофорез. На плоскости скольжения

должен возникнуть электрокинетический потенциал (), который

должен равняться общему скачку потенциала. Теория выполняется,

если температура системы равна 0 К (отсутствует тепловое движение).

Согласно этой теории противоионы не могут быть сосредоточены только у межфазной поверхности и образовывать моноионный слой, а рассеяны в жидкой фазе на некотором расстоянии от границы раздела. Такая структура двойного слоя определяется, с одной стороны, электрическим полем у твёрдой фазы, стремящимся притянуть эквивалентное количество противоположно заряженных ионов возможно ближе к стенке, а с другой стороны, тепловым движением ионов, вследствие которого противоионы стремятся рассеяться во всём объёме жидкой фазы.

В непосредственной близости от межфазной границы преобладает действие электрического поля. С удалением от межфазной границы сила этого поля постепенно ослабевает и проявляется всё сильнее рассеивание противоионов двойного слоя в результате теплового движения, вследствие чего концентрация противоионов падает и становится равной концентрации тех же ионов, находящихся в глубине жидкой фазы. Таким образом, возникает равновесный диффузный слой противоионов, связанных с твёрдой фазой. Равновесие этого диффузного слоя динамическое.

С другой стороны, находящиеся в жидкости ионы того же знака, что и адсорбированные стенкой потенциалопределяющие ионы, отталкиваются электрическими силами от твёрдой фазы и уходят вглубь раствора. Это обусловливает распределение потенциалопределяющих ионов и противоионов в диффузной части двойного электрического слоя, что иллюстрирует рис.2.

Если концентрацию положительных и отрицательных ионов в точке, потенциал которой равен , соответственно обозначить через С₊ и С_— , то для расстояния x= _:

Толщина диффузного слоя рассчитывается по формуле:

Недостаток теории Гуи заключается в том, что она не объясняет явления перезарядки-перемены знака электрокинетического потенциала при введении в систему электролита с многовалентным ионом, заряд которого противоположен по знаку заряду дисперсной фазы. Также теория Гуи не объясняет различного действия разных по природе противоионов одной и той же валентности на двойной электрический слой. Наконец, данная теория относительно хорошо выполняется для достаточно разбавленных коллоидных растворов, оказывается неприемлемой для более концентрированных.

Все эти затруднения в значительной мере преодолены в теории строения двойного электрического слоя, предложенной Штерном.

В 1924 г. Штерн предложил схему строения двойного электрического слоя. Разрабатывая данную теорию, Штерн исходил из двух предпосылок. Во-первых, он принял, что ионы имеют конечные, вполне определённые размеры и, следовательно, центры ионов не могут находится к поверхности твёрдой фазы ближе, чем на расстояние ионного радиуса. Во-вторых, Штерн учёл специфическое, не электрическое взаимодействие ионов с поверхностью твёрдой фазы. Это взаимодействие обусловлено наличием на некотором малом расстоянии от поверхности поля молекулярных (адсорбционных) сил.

Двойной электрический слой, согласно взглядам Штерна, при этом всё больше приближается к слою, предусмотренному в теории Гельмгольца, а -потенциал уменьшается, постепенно приближаясь к нулю. При разбавлении системы, наоборот, диффузный слой расширяется и -потенциал возрастает.

Протекание электрокинетических явлений в дисперсных системах возможно при наличии на границе раздела фаз двойного электрического слоя, имеющего диффузное строение. При относительном смещении фаз происходит разрыв двойного электрического слоя по плоскости скольжения (рис.4).

Например, разрыв двойного слоя может произойти вследствие седиментации или броуновского движения частиц дисперсной фазы. Плоскость скольжения обычно проходит по диффузному слою, и часть его ионов остаётся в дисперсной среде. В результате дисперсионная среда и дисперсная фаза оказываются противоположно заряженными. Потенциал, возникающий на плоскости скольжения при отрыве части диффузного слоя, называется электрокинетическим потенциалом или -потенциалом. Дзета-потенциал, отражая свойства двойного электрического слоя, характеризует природу фаз и межфазного взаимодействия. Т.к. плоскость скольжения может находиться на разном расстоянии от межфазной поверхности, а это расстояние зависит от скорости движения фаз, вязкости среды, природы фаз и других факторов, то соответственно от всех этих факторов зависит и значение электрокинетического потенциала. Все факторы, влияющие на толщину диффузного слоя, вызывают изменение -потенциала.

При подобных оценках обычно принимают, что . Из данного соотношения следует, что понижение температуры, введение в систему индифферентного электролита (специфически не взаимодействующего с поверхностью) и увеличение заряда его ионов ведут к уменьшению электрокинетического потенциала. Этот потенциал будет снижаться и с уменьшением диэлектрической проницаемости среды, например, при добавлении в водный раствор спиртов, эфиров и других органических веществ.

Электрокинетический потенциал, безусловно, сильно зависит от природы поверхности контактирующих фаз. В этом отношении можно выделить два крайних положения: активные и инертные поверхности. Активную поверхность имеют полиэлектролиты –полимеры, содержащие неионогенные группы, степень диссоциации которых и определяет заряд поверхности. К веществам, имеющим поверхности с ионогенными группами, можно отнести и многие неорганические оксиды (оксиды кремния, алюминия, железа и др.). На таких поверхностях -потенциал может достигать высоких значений (100мВ и более). Инертные поверхности (графит, масла и др.) лишены ионогенных групп, заряд на них возникает в результате специфической адсорбции ионов.

Специфическая адсорбция может вызвать и уменьшение -потенциала, если адсорбируются противоионы, т.к. они имеют заряд, противоположный заряду поверхности. Такая адсорбция может привести к перезарядке поверхности.

Значительное влияние на -потенциал оказывает рН среды, поскольку ионы Н + и ОН — обладают высокой адсорбционной способностью. Особа велика роль рН среды в тех случаях, когда в контакте с водным раствором находится амфотерное вещество и при изменении кислотности среды возможна перезарядка фаз.

Можно предполагать, что при разбавлении всякой коллоидной системы -потенциал должен возрастать, т.к. толщина двойного электрического слоя увеличивается в результате уменьшения концентрации противоионов в растворе. При разбавлении может наблюдаться десорбция потенциалопределяющего иона с поверхности дисперсной фазы, что должно приводить к падению -потенциала и соответственно -потенциала. Концентрирование коллоидной системы обуславливает, конечно, прямо противоположное действие. В каком направлении в итоге изменяется -потенциал при изменении концентрации коллоидной системы, очевидно, определяется тем, влияние какого из двух факторов –утолщения (сжатия) двойного электрического слоя или десорбции (адсорбции) потенциалопределяющих ионов –в данном конкретном случае окажется сильнее.

-потенциал дисперсной фазы тем больше, чем больше полярность растворителя, которая характеризуется его диэлектрической проницаемостью дипольным моментом.

Определяемые с помощью электрокинетических явлений знак и значение -потенциала широко используется для характеристики электрических свойств поверхности. При рассмотрении адсорбции, адгезии, агрегативной устойчивости дисперсных систем, структурообразования в материалах и других важных процессах. При этом потенциал диффузной части двойного электрического слоя обычно принимают приблизительно равным -потенциалу. Например, определение изоэлектрической точки (рН_иэт ) по нулевому значению -потенциала.

III.Электроосмос и электрофорез

При рассмотрении электрокинетических явлений Гельмгольц исходил из следующих положений:

1) Электрические заряды поверхности жидкости и твёрдой фазы противоположны по знаку и расположены параллельно друг другу, в результате чего образуется двойной электрический слой;

2) Толщина двойного электрического слоя имеет размеры близкие к молекулярным;

3) При электрокинетических явлениях слой жидкости, непосредственно прилегающий к поверхности твёрдой фазы остаётся неподвижным, тогда как остальная жидкость, находящаяся вблизи этой поверхности, подвижна и к ней приложим закон трения, применяемый к нормальным жидкостям;

4) Течение жидкости в двойном электрическом слое при электрокинетических явлениях происходит ламинарно и выражается обычными гидродинамическими уравнениями;

5) Двойной электрический слой можно рассматривать как плоскопараллельный конденсатор;

6) Распределение зарядов в двойном слое не зависит от напряжённости прилагаемого электрического поля, и внешняя разность потенциалов просто накладывается на поле двойного электрического слоя;

7) Твёрдая фаза является диэлектриком, жидкость же проводит электрический ток.

Направленное перемещение жидкости в пористом теле под действием приложенной разности потенциалов (электроосмос) удобно изучать с помощью прибора, схематически показанному на рисунке 5.

Прибор представляет собой U-образную трубку, в одно колено которой впаян капилляр 1 для точного определения количества протекающей жидкости, в другом –между электродами располагается пористое тело 2 (мембрана) из силикогеля, глинозёма и др. материалов.

В прибор наливают воду или водный раствор и отмечают уровень жидкости в капилляре. Если к электродам приложить разность потенциалов, то противоионы диффузного слоя, энергетически слабо связанные с поверхностью твёрдой фазы (мембрана), будут перемещаться к соответствующему электроду и благодаря молекулярному трению увлекать за собой дисперсионную среду (водный раствор). Чем больше потенциал диффузного слоя, тем больше переносчиков зарядов, тем выше скорость перемещения жидкости в пористом теле. Скорость течения жидкости и её направление при постоянной напряжённости электрического поля определяются свойствами мембраны и раствора. Таким образом качественное изучение электроосмоса позволяет однозначно определить знак -потенциала, а количественные измерения –установить зависимость между скоростью переноса жидкости и -потенциалом. Изменяя состав и свойства дисперсной среды, можно проследить за изменением структуры двойного электрического слоя по изменению значения электрокинетического потенциала.

Рис.6 иллюстрирует изменение потенциала и скорости движения u в капиллярах пористого тела с изменением расстояния от межфазной поверхности. Направленное перемещение жидкости, вызванное внешним электрическим полем напряженностью Е, уравновешивается действием возникающей силы трения.

В стационарном состоянии общая сила, действующая на любой сколь угодно малый слой жидкости, равна нулю, и он движется с постоянной скоростью параллельно границе скольжения.

Электрическая сила, действующая на слой жидкости dx (в расчете на единицу площади поверхности), равна:

(III.1)

где dp заряд слоя жидкости dx;

p –объёмная плотность заряда, выраженная в соответствии с уравнением Пуассона;

Сила трения и её дифференциал, приходящийся на единицу площади (согласно закону Ньютона), составляют:

и (III.2)

При установившемся движении (в стационарном состоянии) dFэл.=dFтр., т.е. приравниваем (III.1) и (III.2), получим:

= (III.3)

Решение данного уравнения сводится к определению граничных условий интегрирования, которые легко определить из рисунка 7. При х=l, т.е. на границе скольжения, имеет = и u=0; при х=, т.е. в объёме раствора, =0 и u=0, а и

Окончательно получим следующее выражение для постоянной линейной скорости жидкости относительно мембраны:

(III.4)

Это классическое выражение для скорости движения жидкости при электроосмосе можно получить и на основе представлений двойного электрического слоя как плоского конденсатора, что и было сделано ещё Гельмгольцем. Более строгий вывод соотношения (III.4) был дан Смолуховским, поэтому уравнение (III.4) носит название уравнение Гельмгольца-Смолуховского.

Скорость движения дисперсной среды, отнесённая к единице напряжённости электрического поля, называется электроосмотической подвижностью:

(III.5)

Уравнение Гельмгольца –Смолуховского чаще записывают относительно -потенциала:

= (III.6)

В уравнения (III.5) и (III.6) входит электроосмотическая линейная скорость, которую при обработке экспериментальных данных удобнее заменить на объёмную скорость течения жидкости. Используя закон Ома, получим:

(III.7)

где U-внешняя разность потенциалов;

-удельная электропроводность.

Окончательное выражение будет иметь вид:

= (III.8)

Анализ данного соотношения показывает, что оно справедливо как для единичного цилиндрического капилляра, так и для системы капилляров различной формы, поскольку в это уравнение не входят их геометрические параметры.

Уточним значение электропроводности. Явление электроосмоса наблюдают в узких капиллярах.

При подключении электрического тока наблюдается движение жидкости, и будет разная. Ионы адсорбируются на стенках капилляра. Электропроводность будет больше в капилляре.

(III.9)

-поверхностная проводимость (избыток электропроводности, связанный с наличием на стенках капилляра двойных электрических слоёв).

длина окружности капилляра.

S –сечение капилляра.

Направленное перемещение частиц дисперсной фазы под действием приложенной разности потенциалов (электрофорез) можно наблюдать в седиментационно устойчивых дисперсных системах. При наложении на такую систему внешней разности потенциалов происходит разрыв двойного электрического слоя по плоскости скольжения, в результате чего частица получает определённый заряд и перемещается к соответствующему электроду.

При электрофорезе можно непосредственно измерять скорость движения частиц. Электрофорез удобно наблюдать с помощью прибора, изображенного на рисунке 8. Прибор представляет собой U-образную трубку, в колено которой вставлены электроды.

Трубку заполняют до уровня а-а исследуемым золем, на поверхность которого наливают контактную жидкость, имеющую одинаковую с золем электропроводность, и на электроды подают напряжение. Через определённые промежутки времени отмечают уровень золя в обоих коленах трубки. Естественно, что скорость перемещения частиц дисперсной фазы определяется значением -потенциала на частицах твёрдой фазы.

Полученное ранее дифференциальное уравнение (III.3) справедливо для электрофореза, т.к. оно было выведено из баланса движущих сил процесса. Отношение скорости движения дисперсной фазы к напряжённости электрического поля при электрофорезе называют электрофоретической подвижностью:

(III.10)

= (III.11)

При выводе соотношений (III.10) и (III.11) принимаются следующие ограничения:

1) частицы движутся в однородном электрическом поле;

2) частицы могут иметь любую форму и они не проводят электрический ток;

3) толщина двойного электрического слоя должна быть значительно меньше размера частиц.

Экспериментально определённые значения подвижности оказываются меньше расчетных. Несовпадение экспериментальных и теоретических значений электрофоретической подвижности определяется двумя эффектами: релаксационным эффектом и электрофоретическим торможением.

Релаксационный эффект проявляется в нарушении симметрии диффузного слоя вокруг частицы при относительном движении фаз в противоположные стороны. Возникает внутреннее электрическое поле (диполь), направленное против внешнего поля (рис. 9)

Для восстановления равновесного состояния системы требуется некоторое время –время релаксации. Оно достаточно велико, и система не успевает прийти в равновесие, всвязи с чем эффективная напряжённость электрического поля Е уменьшается, а следовательно, определяемое экспериментально значение и расчетное значение -потенциала получаются заниженными.

Электрофоретическое торможение обусловлено сопротивлением движению частицы, обратной потоком противоионов, который увлекает за собой жидкость. Вследствие этого электрофоретическая скорость уменьшается. Гюккель, основываясь на теории сильных электролитов, установил, что в уравнение (III.10) необходимо ввести множитель 2/3 как поправку на электрофоретическое торможение. В дальнейшем было показано, что электрофоретическое торможение является функцией размера частицы и толщины диффузного слоя. Поправка Гюккеля необходима, если толщина диффузного слоя значительно превышает размер частицы; при условии соизмеримости этих параметров её значение может находится в пределах от 2/3 до 1.

IV. Потенциал течения и седиментации

Явление, обратное электроосмосу –потенциал течения состоит в том, что при течении дисперсионной среды под действием перепада давления через пористую мембрану на её концах появляется разность потенциалов. Продавливаемая через капилляр жидкость в условиях ламинарного движения характеризуется изображённым на рисунке 6 профилем распределения скоростей. Движущая жидкость, увлекая за собой ионы диффузного слоя, оказывается носителем конвекционного поверхностного электрического тока, называемого током течения. При переносе зарядов по капилляру на его концах возникает разность потенциалов, которая в свою очередь вызывает встречный объёмный поток ионов противоположного знака по всему капилляру. После установления равновесного состояния потоки ионов станут равными, а разность потенциалов примет постоянное значение, равное потенциалу течения U. Потенциал течения пропорционален перепаду давления р.

Уравнение Гельмгольца-Смолуховского для расчета -потенциала через потенциал течения имеет вид:

= (IV.1)

При потенциале седиментации (эффект Донра) как явление, обратном электрофорезу, частицы твёрдой фазы, несущие заряд, осаждаются под действием силы тяжести либо силы центробежного поля. В процессе осаждения ионы диффузного слоя вследствие молекулярного трения отстают от движущейся частицы, т.е. возникает поток заряженных частиц. Если в сосуде с осаждающимися в жидкости частицами твёрдой фазы установить электроды на разной высоте, то между ними можно измерить разность потенциалов –потенциал седиментации. Этот потенциал пропорционален -потенциалу, частичной концентрации v, а также зависит от параметров системы, определяющих скорость оседания частиц, и т электропроводности среды . Выражение Гельмгольца-Смолуховского для потенциала седиментации:

(IV.2)

(IV.3)

Частичная концентрация дисперсной системы определяется по уравнению:

(IV.4)

где С –массовая концентрация дисперсной фазы.

V. Практическое использование электрокинетических явлений

Электрокинетические явления имеют большое практическое значение. Используя их, можно определить весьма важную характеристику дисперсных систем —-потенциал, а с помощью электрофореза можно разделять на фракции и характеризировать такие сложные смеси, как природные белки и другие высокомолекулярные электролиты.

Электрокинетические явления широко используются в технике, а также в научных исследованиях –нанесение покрытий на различные поверхности электрофоретическим методом. Данный метод, обеспечивающий высокую кроющую способность позволяет получить равномерное покрытие на деталях сложной конфигурации. При электрофоретическом методе нанесения покрытий как правило одним из электродом служит деталь, на которой формируется покрытие, другим –ёмкость с суспензией, дисперсная фаза которой наносится на поверхность детали. В зависимости от того, каким электродом (анодом или катодом) является покрываемая деталь, различают анодофорез и катодофорез.

Электрофоретический метод широко применяется также для покрытия катодов радиоламп, полупроводниковых деталей, нагревателей и т.д. Электрофорез используется в медицине, в биологии при выявлении биохимической и физиологической роли различных высокомолекулярных соединений. Этот метод используется также для фракционирования полимеров и минеральных дисперсий.

Явление электроосмоса лежит в основе способа удаления влаги при осушке объектов (стен зданий, сыпучих материалов и т.д.) и способа пропитки материалов различными веществами. Всё большее значение приобретает электроосмотическая фильтрация, сочетающая в себе два процесса: фильтрацию под действием приложенного давления и электроосмотический перенос жидкости в электрическом поле. Применение электроосмоса ограничено большим потреблением электроэнергии.

Явление потенциала течения и седиментации наблюдается в производствах, в которых осуществляется транспортировка жидкостей (перекачка технологических растворов, жидкого топлива), осаждение суспензий и эмульсий при разделении фаз. На концах трубопроводов и аппаратов могут возникать высокие разности потенциалов, которые являются причиной искровых разрядов, вызывающих пожары и взрывы.

Причиной возникновения электрокинетического потенциала является наличие на частицах дисперсной системы двойных электрических слоёв, имеющих диффузное строение.

Существует много теорий строения двойного электрического слоя, но наиболее вероятной является теория Штерна, которая учитывает влияние радиуса иона на толщину слоя, а также специфическое взаимодействие ионов с поверхностью твёрдой фазы.

К электрокинетическим явлениям относятся: электроосмос, электрофорез, потенциал течения и потенциал седиментации. В основе их определения лежит уравнение Гельмгольца-Смолуховского, с помощью которого можно определить электрокинетический потенциал рассматриваемого процесса.

Электрокинетические явления нашли широкое применения в науке и технике, в биологии и медицине.

1) Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.: «Химия», 1976г.;

2) Ребиндер П.А. Общий курс коллоидной химии. М.: «Высшая школа», 1960г.;

3) Кройт Г.Р. Наука о коллоидах. М.: «Высшая школа», 1974г.;

4) Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Л.: «Химия», 1980г.;

5) Шелудко А.А. Коллоидная химия. М.: «Высшая школа», 1978г.;

6) Берестенева З.Я. Электрические свойства коллоидных систем. Л.: «Химия», 1970г.;

7) Григоров О.Н. Электрокинетические явления. М.: «Наука», 1973г.

ЛЕКЦИЯ №6

План лекции:

ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ

Потенциал j ДЭС снижается по мере удаления от поверхности твердого тела. Причем, в адсорбционном слое наблюдается линейное снижение потенциала. Нарушение линейной зависимости происходит на границе между адсорбционным и диффузным слоями противоионов, в диффузном слое снижение потенциала происходит по экспотенциальному закону и не так резко, как в адсорбционном слое. Потенциал на границе скольжения (рис.6.1, линия ББ) называют электрокинетическим или дзета-потенциалом x .

SHAPE \* MERGEFORMAT

На границе скольжения происходит относительное перемещение заряженных частиц и жидкости.

j _д – потенциал на границе между адсорбционным и диффузным слоем.

d — толщина адсорбционного слоя.

Дзета-потенциал — важнейшая характеристика ДЭС, он определяет возможность и скорость относительного перемещения дисперсной фазы и дисперсионной среды, интенсивность электрокинетических явлений, устойчивость золей и разрушение дисперсных систем электролитами.

Значение x -потенциала можно достаточно точно измерить, его знак определяется знаком заряда потенциалообразующего слоя. Если потенциалообразующий слой формируется из анионов, дзета-потенциал будет отрицательным, если образуется из катионов — положительным.

Изменение дзета-потенциала зависит от свойств среды и наличия в ней противоионов. Добавление в дисперсную фазу одновалентных противоионов приводит к сжатию диффузного слоя и снижению дзета-потенциала. Когда все противоионы будут находится в адсорбционном слое происходит полная компенсация потенциалообразующего слоя и дзета-потенциал становится равным нулю. Точку, характеризующую подобное состояние ДЭС, называют изоэлектрической точкой (ИЭТ).

ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Появление значительного заряда поверхности является причиной возникновения особых электрокинетических явлений, характерных только для дисперсных систем.

Электрокинетическими называют такие явления, которые возникают при воздействии электрического поля на дисперсные системы и в результате перемещения частиц дисперсной фазы или дисперсионной среды. Несмотря на различие электрокинетических явлений, все они связаны с наличием ДЭС и определяются дзета-потенциалом.

Внешнее электрическое поле вызывает такие электрокинетические явления, как электрофорез и электроосмос.

Электрофорез — это перемещение под действием электрического поля частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды (рис.6.2).

SHAPE \* MERGEFORMAT

1 — потенциалоопределяющий слой ионов.

2 — противоионы в адсорбционном слое.

3 — противоионы в диффузном слое.

При наложении внешнего электрического поля частицы дисперсной фазы начинают двигаться к электроду, знак которого противоположен знаку дзета-потенциала.. Движение частиц происходит по плоскости скольжения ( ББ, рис.6.1).

В процессе электрофореза нарушается сферическая симметрия диффузного слоя противоионов, и он начинает двигаться в сторону, противоположную движению частиц. Противоположно направленный поток частиц диффузного слоя тормозит движение частиц. Этот эффект называют электрофоретическим торможением.

Электрофорез используют для получения новых материалов, нанесения покрытий, очистки веществ от примесей. В медицине электрофорез используют для введения лекарств. На кожу пациента накладывают тампон, смоченный раствором лекарственного препарата, а сверху электроды, к которым приложен безопасный для организма ток.

Электроосмос — перемещение дисперсионной среды под действием внешне

го электрического поля. Движение дисперсионной среды обусловлено притяжением разноименных зарядов.

Когда дзета-потенциал отрицательный, то положительно заряженные противоионы диффузного слоя притягиваются к отрицательному электроду. Положительно заряженные противоионы увлекают за собой жидкость, составляющую дисперсионную среду . В результате этого происходит движение жидкости, причем, перемещение жидкой дисперсионной среды происходит на границе скольжения.

Электроосмос используется, например, для обезвоживания древесины, грунта, продуктов питания.

Все электрокинетические явления связаны с относительным перемещением дисперсной фазы или дисперсионной среды, осуществляемой по границе скольжения. Их интенсивность определяют значением дзета-потенциала. Поэтому данную величину используют для оценки электрокинетических явлений.

ДЭС можно рассматривать в качестве конденсатора. Относительность движения дисперсной фазы и дисперсионной среды определяется силами f ₁ и f ₂ . Сила f ₁ возникает в результате взаимодействия избытка зарядов потенциалообразующего слоя по отношению к адсорбционному слою, она характеризует заряд диффузного слоя и направлена параллельно границе скольжения, противодействуя силе трения.

Е — напряженность или градиент внешнего поля,

Q _B плотность заряда поверхности.

f ₂ — определяет трение жидкости при перемещении.

f ₂ = h ( u / h ) (6.2)

h — коэффициент трения, u — скорость движения жидкости, h – расстояние между поверхностями.

При установившемся движении эти силы равны, то есть:

Е q _В = h ( u / h ) или u = ( q _B h / h ) E (6.3)

(6.3) — определяет скорость взаимного перемещения дисперсной фазы и дисперсионной среды. Удельный заряд q _B – можно связать с дзета-потенциалом.

e _а — абсолютная диэлектрическая проницаемость.

Подставляя равенство 6.4 в 6.3., получим уравнение Гельмгольца-Смолуховского:

Скорость движения в расчете на единицу напряженности электрического поля называют электрофоретической подвижностью u _Е :

С учетом формы частиц дисперсной фазы уравнения 6.5 и 6.6 принимают вид:

u = ( e _а x / h Y )Е (6.7.)

u _Е — электрофоретическая подвижность, м 2 /(сВ),

y — коэффициент , зависящий от формы частиц,

x — дзета-потенциал, В,

Е — напряженость электрического поля, В/м.

y — для шарообразных частиц = 0,66.

y — для цилиндрических, ориентированных вдоль силовых линий электрического поля частиц = 1.

e _а = e e ₀ , где e — относительная диэлектрическая проницаемость,

e ₀ — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума ( e ₀ = 8,85*10 -12 Кл 2 /(н*м 2 ).

u = ( e e ₀ x / h y )Е = (8,85*10 -12 e x / h y )Е (6.9)

Согласно (6.9.) величины, которые определяют интенсивность электрофореза и электроосмоса, зависят от свойств среды ( h , e ), формы частиц ( y ), напряженности электрического поля (Е) и x ,-потенциала, определяемого структурой ДЭС.

Электрофоретическая подвижность и x -потенциал можно определить экспериментально.

u обычно не превышает 5 810 -8 м 2 /(сВ), а x -потенциал не превышает 100 мВ.