Электрические свойства дисперсных систем кратко

Обновлено: 02.07.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Описание презентации по отдельным слайдам:

Электрокинетические свойства дисперсных систем

Подготовил: студент 213 группы Афлатунов Руфат

Электрокинетические явления
Электрокинетические явления были открыты профессором Московского университета Ф.Ф.Рейсом в 1808 г.
Электроосмос - явление переме-щения жидкой дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы под действием электрического поля.
Электрофорез - явление переме-щения дисперсной фазы относительно неподвижной жидкой дисперсионной среды под действием электрического поля

Потенциал течения (Квинке, 1859г) – возникновение разности потенциалов при движении дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы.
Потенциал оседания (Дорн, 1879) – возникновение разности потенциалов при движении дисперсной фазы относительно неподвижной дисперсионной среды.
Открытые явления были названы электрокинетическими, так как в них обнаруживалась связь между скоростью протекания (кинетикой) и электрическим полем.
Причиной электрокинетических явлений является наличие на границе раздела фаз двойного электрического слоя (ДЭС)

Причины возникновения ДЭС
I. Неравенство электрохимических потенциалов ионов в кристаллической решетке тв. тела и ионов в растворе:
Электрохимический потенциал – химический потен-циал плюс электрохимическая составляющая
А. Адсорбционный механизм образования ДЭС
Если , то иодид – ионы (потенциалопределяющие ионы – ПОИ) будут терять свою сольватную оболочку и адсорбироваться на поверхности твердой фазы, заряжая частицу отрицательно.
К отрицательно заряженной частице из раствора за счет электростатического притяжения будут притягиваться ионы противоположного знака (противоионы – ПИ) - ионы калия.

В. Механизм поверхностной диссоциации
Если , то иодид – ионы с поверхности будут переходить в раствор за счет поверхностной диссоциации и образовывать у поверхности внешнюю обкладку ДЭС.
Поверхность твердой фазы в этом случае зарядится положительно - внутренняя обкладка ДЭС.
II. Образование ДЭС за счет специфической адсорбции ионов, не входящих в кристаллическую решетка твердой фазы.

Например, золь парафина в растворе гидроксида натрия.
ПОИ – OH–, ПИ – Na+.

III. Образование ДЭС за счет ориентированной адсорбции ПАВ
Соли жирных кислот в растворе диссоциируют, например натриевая соль стеариновой кислоты:
- поверхностно–активный анион
IV. Образование ДЭС за счет внешней разности потенциалов

8
Теория строения ДЭС Гельмгольца – Перрена (1879г)
ДЭС – плоский конденсатор: внутренняя обкладка состоит из ПОИ, прочно связанных с поверхностью твердой фазы, а внешняя обкладка расположена в жидкости параллельно поверхности на расстоянии межмолекулярного порядка от нее.
Поверхностный заряд (потенциал) – уменьшается линейно с расстоянием от поверхности в соответствии с теорией плоского конденсатора.
Значение плотности поверхностного заряда (ρS , Кл/м2) - количество ПОИ на единицу площади поверхности рассчитывается в соответствии с теорией плоского конденсатора:
где: ε - диэлектрическая проницаемость среды, ε0 - электрическая константа, равная 8,85·10-12 Ф/В, φ0 - разность потенциалов между дисперсной фазой и раствором, δ - расстояние между обкладками конденсатора, равное радиусу противоиона.

Теория строения ДЭС Гуи – Чепмена (1910-1913 гг.)
Основные положения
1. ПИ вблизи заряженной стенки находятся под действием двух сил: электростатических и сил теплового движения, то есть на некотором расстоянии от поверхности.
2. ПИ рассматриваются как материальные точки, имеющие заряд, но не имеющие объема.
3. Распределение ПИ в поле электростатических сил поверхности твердой фазы подчиняется закону Больцмана:
где: C0 = C+ + C– – концентрация ПИ и коионов в объеме раствора при φ = 0; Fzφ – работа по переносу 1 моль ионов из объема раствора, где φ = 0 в данную точку ДЭС (ПОИ заряжены отрицательно).

4. По мере удаления ПИ от поверхности, кулоновские силы ослабевают, а силы теплового движения возрастают. Это приводит к тому, что концентрация ПИ уменьшается и становится равной концентрации ионов в глубине раствора, возникает диффузный слой ПИ.
5. Дисперсионная среда непрерывна и характеризуется величиной диэлектрической проницаемости ε.

11
В 1924 г. Штерн предложил схему строения ДЭС, в которой объединил теории Гельмгольца – Перрена и Гуи – Чепмена.

По теории Штерна ПИ ориентируются около заряженной поверхности под действием трех сил:
1) электростатических (кулоновских) сил притяжения,
2) специфических (адсорбционных) сил притяжения;
3) сил теплового движения, стремящихся равномерно распределить ионы по объему ДЭС.
Современные представления о строении ДЭС
Теория Штерна

12
Влияние электролитов на ДЭС
Влияние индифферентных электролитов
Индифферентный электролит – электролит, ионы которого не могут достраивать кристаллическую решетку агрегата.
Пример:
Формула мицеллы:

13
Влияние неиндифферентных электролитов
Неидифферентный электролит – электролит, ионы которого способны достраивать кристаллическую решетку дисперсной фазы, изменяя φ0.
Пример:
Формула мицеллы:
1. Добавим электролит, содержащий ион, способный достраивать кристаллическую решетку твердой фазы (одноименный с ПОИ) в данном случае добавим KJ.
В этом случае:
а) Иодид – ион J– будет достраивать кристаллическую решетку агрегата, тем самым увеличивая φ0 (кривая 2).
б) Ион калия К+ будет увеличивать концентрацию ПИ, тем самым сжимая ДЭС (кривая 3).

14
Измерение электрокинетического потенциала из явлений электрофореза и электроосмоса
Электрокинетический потенциал – потенциал, возникающий на границе скольжения фаз при их относительном перемещении в электрическом поле.
Электрокинетический потенциал отражает свойства ДЭС и определяется экспериментально из ЭКЯ.
Скорость перемещения коллоидной частицы в электрическом поле зависит:
напряженности внешнего электрического поля Н;
от строения ДЭС коллоидной частицы – величины ζ;
от свойств дисперсионной среды (вязкости η, диэлектрической проницаемости ε).
Отношение линейной скорости перемещения частиц дисперсной фазы (дисперсионной среды) U, отнесенная к напряженности электрического поля Н, называется электрофоретической (электроосмотической) подвижностью U0:

15
Электрокинетический потенциал связан с электрофоретической подвижностью, уравнением Гельмгольца – Смолуховского:
где: h – смещение границы золь - боковая жидкость за время электрофореза; t – время электрофореза.
где: Е – приложенная разность потенциалов;
l – расстояние между электродами.
Уравнение Гельмгольца - Смолуховского для электрофореза:

16
Электроосмос
Для расчета дзета-потенциала при электроосмосе заменяют линейную скорость (U) движения частицы на объемную (v):
где: S – площадь капилляров мембраны (диафрагмы).
Согласно закону Ома, напряженность
электрического поля равна:
Электрическое сопротивление связано удельной электропроводностью:
Тогда получим:
Уравнение Гельмгольца – Смолуховского для расчета дзета- потенциала при электроосмосе:

Электрофорез применяют для: очистки, разделения медицинских препаратов, пищевых продуктов; нанесения тонких слоев неметаллических покрытий; получения изоляционных пленок, изготовления прорезиненных тканей и т.д.

Электроосмос применяют для: обезвоживания грунта при возведении гидротехнических сооружений (платин, дамб); при сушке торфа и дерева; сушке стен и фундаментов сырых зданий; добыче нефти и т.д.

Потенциал оседания является причиной грозовых разрядов в атмосфере.

Потенциал течения – основа многих биологический процессов: течение крови через капилляры кровеносной системы дает биопотенциал. Потенциал течения возникают при транспортировке жидкого топлива (при протекании нефти вместе с водой образуется огромный заряд, приводящий к взрывам).
Практическое значение электрокинетических явлений

Электрокинетические свойства коллоидных систем – это свойства, которые обусловлены наличием заряда дисперсионной среды и частиц дисперсной фазы и возникают при перемещении их относительно друг друга.

Электрофорез – перемещение частиц дисперсной фазы относительно неподвижной дисперсионной среде под действием внешней разности потенциалов.

Электрофорез подобен электролизу. Различия количественные: при электрофорезе перемещаются значительно большие количества вещества. Применение электрофореза: разделение белков и нуклеиновых кислот; определение заряда частиц дисперсной фазы и электрокинетического потенциала.

Потенциал седиментации – разность потенциалов, которая возникает при перемещении частиц дисперсной фазы под действием силы тяжести или центробежных сил.

Электроосмос - перемещение частиц дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы под действием внешней разности потенциалов.

Электроосмос наблюдается в связаннодисперсных системах, когда дисперсная фаза представляет собой пористое тело, тонкие капилляры, которые заполнены жидкой дисперсионной средой. Применение электроосмоса: обезвоживание пористых тел.

Потенциал течения – разность потенциалов, которая возникает при течении жидкости в капиллярах или пористых телах при наложении перепада давлений.

7. Строение коллоидных частиц - мицелл

Коллоидные частицы представляют собой сложные образования - милеллы. Рассмотрим строение частиц золя AgI, полученного взаимодействием нитрата серебра с избытком иодида калия.

[mAgInI - (n-x)K + ] x- xK +

Мицелла состоит из электронейтрального агрегата и ионогенной части. Ионогенная часть мицеллы делится на адсорбционный и диффузионный слои. Агрегат в результате избирательной адсорбции ионов или ионизации поверхности приобретает заряд. Ионы, определяющие заряд агрегата называются потенциалопределяющими. Агрегат и потенциалопределяющие ионы образуют ядро. С заряженной поверхностью ядра устойчиво связано некоторое число ионов противоположенного знака - противоионов. Потенциалопределяющие ионы и часть противоионов образуют адсорбционный слой. Агрегат вместе с адсорбционным слоем называется гранулой. Другая часть противоионов образует диффузионный слой, плотность которого убывает по мере удаления от ядра. Заряд гранулы равен сумме зарядов противо- и потенциалопределяющих ионов.

В результате на поверхности мицеллы возникает двойной электрический слой и разность потенциалов между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды. Этот потенциал называют электротермодинамическим потенциалом.

При перемещении дисперсной фазы относительно дисперсионной среды поверхность скольжения проходит по границе раздела адсорбционного и диффузионного слоев. Скорость перемещения зависит фаз относительно друг друга определяется значением потенциала на поверхности скольжения, который получил название электрокинетический или  (зетта)-потенциал. Значение -потенциала зависит от значения общего электротермодинамического потенциала и от толщины диффузионного слоя. Толщина диффузионного слоя зависит от концентрации электролита в коллоидном растворе: при увеличении концентрации электролита противоионы вытесняются из диффузионного слоя в адсорбционный слой. Толщина диффузионного слоя уменьшается и уменьшается -потенциал. При некоторой концентрации электролита все противоионы вытесняются в адсорбционный слой. При этом -потенциал становится равен 0 и заряд коллоидной частицы равен 0. Такое состояние коллоидной частицы называют изоэлектрическое состояние.

В дисперсных системах типа Т/Ж (коллоидные растворы и суспензии) на границе раздела фаз самопроизвольно возникает избыточный электрический заряд, что приводит к формированию на поверхности твердой дисперсной фазы двойного электрического слоя (ДЭС).

Электрически нейтральную коллоидную частицу называют мицеллой. Мицелла – это структурная коллоидная единица, она способна к самостоятельному существованию и определяет все основные свойства коллоидной системы.

Схема строения ДЭС представлена на рис.6.

Рис.6. Строение двойного электрического слоя.

Мицелла лиофобного золя представляет собой кристаллик дисперсной фазы с окружающим его двойным электрическим слоем. Твердая фаза, которая находится в середине мицеллы называется агрегатом, агрегат вместе с потенциалопределяющими ионами составляет ядро мицеллы; ядро вместе с адсорбционным слоем противоинов образует частицу или гранулу, которая окружена диффузным слоем противоинов.

Состав мицелл выражают формулами. Рассмотрим, как составляется такая формула на примере мицеллы золя AgI, образованного в результате взаимодействия растворенных веществ

В данном случае дисперсная фаза состоит из молекул AgI. На поверхности твердой фазы, согласно правилу Панета-Фаянса, будут преимущественно адсорбироваться те ионы, которые способны достраивать кристаллическую решетку твердой частицы. Если в системе содержится в избытке KI, то такими ионами являются йодид-ионы I – , которые составят потенциалобразующий слой, а катионы К + будут формировать адсорбционный и диффузный слои противоинов. Условно мицелла запишется формулой:

где m – количество молекул в ядре частицы; n – количество потенциалопределяющих ионов; (n-x) – количество противоинов в адсорбционном слое; х – количество противоинов в диффузном слое.

На Рис.7. приведена схема строения мицеллы золя AgI (а) и ее формула (б).

Рис.7. Схема строения (а) и формула мицеллы йодида серебра (б).

Если потенциалопределяющие ионы 2-х, 3-х и более зарядные, то число адсорбционных противоионов будет 2(n-x), 3(n-x) и т.д. и заряд гранулы будет равен 2х, 3х с соответствующим знаком. например, формула мицеллы Fе(ОН)₃, образованной в присутствии избытка FеСl₃, запишется таким образом:

При движении частицы ДЭС разрывается. Место разрыва при перемещении твердой и жидкой фаз относительно друг друга называется плоскостью скольжения или границей скольжения (см. Рис.6). Потенциал на плоскости скольжения называется электрокинетическим или дзета-потенциалом (ζ).

ζ-потенциал является важнейшей характеристикой ДЭС: он определяет скорость относительного перемещения дисперсной фазы и дисперсионной среды, устойчивость золей, интенсивность электрокинетических явлений и др. Чем больше ζ-потенциал, тем больше силы электростатического отталкивания между коллоидными частицами, и тем выше устойчивость коллоидной системы в целом. Когда ζ-потенциал равен нулю, система находится в изоэлектрическом состоянии: в этом случае коллоидные частицы сближаются до такого расстояния, когда силы молекулярного сцепления больше сил электростатического отталкивания и частицы начинают слипаться и выделяться из раствора.

Электрофорез – движение частиц дисперсной фазы в неподвижной дисперсионной среде под действием внешнего электрического поля. Скорость электрофореза u₀ зав-т от величины ζ-потенциала и определяется по формуле:

, м/с,

где η – вязкость дисперсионной среды; ζ – дзета-потенциал; Е – напряженность или градиент электрического поля; ε – диэлектрическая проницаемость среды; ε₀ – абсолютная диэлектрическая проницаемость (8,85·10 –12 Ф/м).

Электроосмос – движение дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля. Скорость электроосмоса равна:

, м/с,

κ – удельная электрическая проводимость золя; I – сила тока.

Схема строения ДЭС представлена на рис.6.

Рис.6. Строение двойного электрического слоя.

На Рис.7. приведена схема строения мицеллы золя AgI (а) и ее формула (б).

Рис.7. Схема строения (а) и формула мицеллы йодида серебра (б).

, м/с,

Экспериментально установлено, что поверхностное натяжение s зависит от электрического потенциала поверхности дисперсной фазы j и максимальное значение s наблюдается, когда поверхность не имеет заряда. Увеличение j по абсолютному значению вызывает снижение s.

В дисперсных системах самопроизвольно идут процессы, приводящие к снижению нескомпенсированной поверхностной энергии G_пов .

при неизменной площади раздела фаз s снижение s приводит к уменьшению G_пов. Следовательно, появление электрического заряда на поверхности, сопровождающееся уменьшением поверхностного натяжения, – процесс самопроизвольный.

Можно выделить следующие основные механизмы появления электрического потенциала на межфазных поверхностях:

1. Избирательная адсорбция ионов, находящихся в дисперсионной среде, на поверхности дисперсной фазы. В соответствии с правилом Пескова-Фаянса, на поверхности твердой частицы могут адсорбироваться только ионы, способные достроить ее кристаллическую решетку (входят в состав решетки или изоморфны им). Например, на частицах AgI, диспергированных в водном растворе KI, будут адсорбироваться ионы I - , заряжая поверхность отрицательно (рис. 1).

Рис. 1. Схема возникновения электрического заряда

на поверхности кристаллов AgI в растворе KI

2.Диссоциация (ионизация) поверхностных молекул.

Например, в гидрозоле диоксида кремния поверхностные молекулы SiO₂, взаимодействуя с дисперсионной средой (водой), образуют кремниевую кислоту, способную диссоциировать:

При этом ионы остаются на поверхности частицы, заряжая ее отрицательно, а ионы Н + переходят в раствор (рис.2).

Ионы, создающие заряд на поверхности, называются потенциалопределяющими. В первом случае – это ионы I – (рис. 1), во втором – (рис. 2). Вблизи поверхности раздела фаз концентрируются ионы противоположного знака – противоионы (K + , Н + ). Формируется двойной электрический слой (ДЭС), состоящий из потенциалопределяющих ионов и эквивалентного количества противоионов, полностью компенсирующих заряд поверхности.

На z-потенциал

В соответствии с уравнением (1) повышение температуры коллоидной системы вызывает расширение диффузного слоя и, следовательно, увеличение z-потенциала. Это связано с интенсификацией теплового движения противоионов. Вместе с тем, с ростом температуры усиливается десорбция потенциалопределяющих ионов, j 0 -потенциал уменьшается, что приводит к снижению z-потенциала. В зависимости от того, какая составляющая преобладает, z-потенциал может либо возрастать, либо убывать. Вопрос о том, как будет изменяться z-потенциал с изменением температуры, должен решаться отдельно для каждой коллоидной системы с учетом ее индивидуальных особенностей. Как правило, доминирует первая составляющая.

Значительное влияние на z-потенциал оказывает рН, поскольку ионы Н + и ОН - обладают высокой сорбционной способностью и могут конкурировать с другими ионами за нахождение в адсорбционном слое: первые – благодаря малому радиусу, что позволяет им близко подходить к поверхности твердой фазы, вторые – из-за большого дипольного момента (большой поляризуемости). Особо велика роль рН среды в тех случаях, когда в контакте с водным раствором находится амфотерное вещество и при изменении кислотности среды возможна перезарядка фаз.

На электрокинетический потенциал влияют также диэлектрическая проницаемость e и вязкость η дисперсионной среды.

Из уравнения (1) следует, что диффузная часть ДЭС расширяется при увеличении e (полярности растворителя), а значит и больше становится
z-потенциал частиц золя. Этот факт подтверждают и многочисленные экспериментальные исследования электрокинетических явлений в различных системах.

Роль вязкости, как правило, сводится к положению плоскости скольжения А-А (рис. 3). Чем больше вязкость дисперсионной среды, тем сильнее плоскость скольжения смещена в диффузную часть ДЭС, и, следовательно, тем меньше z-потенциал.

Электрокинетические явления

Электрокинетические явления – это явления, которые возникают при воздействии электрического поля на дисперсную систему (электрофорез, электроосмос) или в результате перемещения частиц дисперсной фазы или дисперсионной среды (потенциалы течения и оседания).

Явления электрофореза и электроосмоса были открыты в 1807 г. профессором Московского университета Ф. Ф. Рейсом при постановке опытов по электролизу воды. Чтобы добиться разделения продуктов электролиза, он помещал в центр U-образной трубки (рис. 4.12) тонко измельченный кварцевый песок 1, трубку заполнял водой 2. Воздействие внешнего электрического поля вызывало перемещение жидкости в сторону отрицательного полюса. Наблюдаемое явление получило название электроосмоса.

В другой серии опытов Рейс вставлял во влажную глину две стеклянные трубки, заполненные водой, в трубки погружал электроды (рис. 4.13). После включения тока, наряду с электроосмосом, наблюдалось также движение оторвавшихся частичек глины к положительному полюсу. Явление перемещения частиц твердой фазы в жидкости под действием электрического тока было названо электрофорезом.

В 1859 г. профессор Берлинского университета Г. Квинке обнаружил, что при фильтрации воды через пористую диафрагму возникает разность потенциалов. А в 1880 г. немецким физиком
Е. Дорном впервые было описано обнаруженное им явление возникновения разности потенциалов при оседании частиц кварца в воде. Открытые Г. Квинке и Ф. Дорном явления получили названия потенциалов течения и оседания соответственно.

При электрокинетических явлениях слой жидкости, непосредственно прилегающий к поверхности твердой фазы, остается неподвижным, тогда как остальная жидкость, находящаяся вблизи этой поверхности, подвижна. Несмотря на различие электрокинетических явлений, все они обусловлены наличием ДЭС на межфазной поверхности, интенсивность их определяется величиной z-потенциала.

Рассмотрим подробнее особенности и механизмы электрокинетических явлений.

Электрофорез

Электрофорез – направленное движение частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля.

При наложении внешнего электрического поля происходит разрыв мицеллы по плоскости скольжения: частицы дисперсной фазы вместе с потенциалопределяющими ионами и противоионами адсорбционного слоя перемещаются к электроду, заряд которого противоположен заряду коллоидной частицы, а противоионы диффузного слоя, энергетически менее прочно связанные с поверхностью, – к другому электроду. На рисунке 4.14 отрицательно заряженная коллоидная частица перемещается к положительному электроду (аноду), противоионы диффузного слоя – к катоду.

Скорость движения частиц, или электрофоретическая скорость u, зависит от величины электрокинетического потенциала z, напряженности электрического поля и свойств дисперсионной среды – динамической вязкости η и диэлектрической проницаемости e:

где e₀ – электрическая постоянная, e₀ = 8,85×10 -12 Кл/(В×м);
E – напряженность, или градиент, внешнего электрического поля, E =U/L; U – разность потенциалов, В; L – расстояние между электродами, м; y – фактор формы.

Коэффициент y учитывает форму частиц и их ориентацию в электрическом поле. Для шарообразных частиц коэффициент
y = 0,66, а для цилиндрических, ориентированных вдоль силовых линий электрического поля, y = 1.

Скорость движения в расчете на единицу напряженности электрического поля называется электрофоретической подвижностью u_эф

Электрофоретическая подвижность зависит только от свойств дисперсной фазы и дисперсионной среды и не зависит от параметров внешнего электрического поля.

На подвижность коллоидной частицы оказывают влияние электрофоретический и релаксационный эффекты.

Электрофоретический эффект (эффект торможения) связан с тем, что под действием внешнего электрического поля противоионы передвигаются в направлении, противоположном движению частицы. За счет гидратации противоионы увлекают за собой и окружающую их жидкость (дисперсионную среду), создавая противоток движению частицы, скорость ее уменьшается.

Релаксационный эффект вызывается нарушением симметрии диффузной части ДЭС вокруг частицы вследствие движения фаз в противоположных направлениях. ДЭС деформируется и отстает от частицы. В результате возникает добавочное электрическое поле, направленное против внешнего поля, которое действует на частицу, стремясь двигать ее в обратном направлении, и тем самым влияя на скорость электрофореза.

Для учета влияния электрофоретического и релаксационного эффектов в уравнение (4.4) вводится коэффициент y.

Применение электрофореза.

1. Метод электрофореза широко используется для определения
z-потенциала. Для этого измеряют электрофоретическую скорость при известной напряженности электрического поля.

Наиболее простой метод – метод подвижной границы, в котором скорость движения частиц при электрофорезе оценивают по перемещению границы между окрашенным золем 1 (рис. 4.15)

и прозрачной контактной жидкостью 2 (дисперсионной средой золя). При этом полагают, что все частицы движутся без ускорения и с одинаковой скоростью. Электрофоретическую скорость определяют как отношение величины смещения границы

раздела золь – контактная жидкость S ко времени пропускания тока t

z-потенциал рассчитывают по формуле, полученной из (4.4):

Метод подвижной границы достаточно прост и надежен, но неприменим для определения z-потенциала кинетически неустойчивых дисперсных систем.

2. В промышленности электрофорез используют, например, для выделения каучука из латекса, очистки воды, отделения каолина от песка. В технике широко применяется электрофоретический метод нанесения ровных, тонких, прочных покрытий (защитных, антикоррозионных, декоративных), в т.ч. и из полимерных материалов, на металлические поверхности любой формы путем электроосаждения частиц дисперсной фазы золей, суспензий, эмульсий. Например, гуммирование деталей химической аппаратуры, получение электроизоляционных пленок, нанесение слоев лакокрасочных покрытий.

3. В биохимии электрофорез служит для анализа, разделения и очистки биополимеров (главным образом белков), бактериальных клеток, а также аминокислот, витаминов антибиотиков, ферментов и других биологически активных веществ (БАВ). Метод основан на различии в электрофоретической подвижности молекул различных БАВ.

4. В медицине электрофорез применяется как метод физиотерапии, заключающийся в одновременном воздействии на организм постоянного электрического тока и целевой доставки (через кожу или слизистые оболочки) частичек лекарственных препаратов к определенным органам и тканям в организме больного. Электрофоретический анализ биологических жидкостей, например сыворотки крови, широко используют в диагностике многих заболеваний.

Электроосмос

Электроосмос – электрокинетическое явление, заключающееся в движении дисперсионной среды через неподвижную капиллярно-пористую перегородку под действием внешнего электрического поля.

Электроосмотический перенос жидкости происходит в капиллярно-пористых системах и обусловлен наличием ДЭС на внутренней поверхности капилляров пористого тела.

Подобно электрофорезу электроосмотический перенос жидкости протекает с постоянной скоростью u, которая зависит от свойств самой жидкости (вязкости η и диэлектрической проницаемости e), z-потенциала и напряженности электрического поля E. Объем жидкости V, протекающей через мембрану в единицу времени, может быть рассчитан по уравнению:

где s – суммарная площадь поперечного сечения всех капилляров; U – разность электродных потенциалов; L – расстояние между электродами.

Использование формулы (4.5) затруднительно, так как суммарное поперечное сечение капилляров мембраны измерить весьма сложно.

Согласно закону Ома

U = IR, (4.6)

где I – сила тока; R – электрическое сопротивление.

Электрическое сопротивление жидкости, перемещающейся в капиллярах под действием электрического поля, равно:

где æ – удельная электрическая проводимость жидкости.

Подстановкой выражений (4.6)-(4.7) в (4.5) получают удобную для использования формулу

Применение электроосмоса.

Метод электроосмоса, также как и электрофореза, применяется для определения z-потенциала. Из формулы (4.8) следует, что для этого необходимо знать вязкость, диэлектрическую проницаемость и удельную электрическую проводимость дисперсионной среды, силу тока и объем перенесенной через мембрану жидкости:

Электроосмос широко используют для удаления избыточной влаги из почв при прокладке транспортных магистралей и гидротехническом строительстве, обезвоживания древесины и пористых материалов, осушки зданий, понижения уровня грунтовых вод.

Потенциал течения

Потенциал течения (эффект Квинке) – это электрокинетическое явление, заключающееся в возникновении разности потенциалов при протекании жидкости, находящейся под давлением, через неподвижную капиллярно-пористую перегородку (рис. 4.17).

Причина возникновения потенциала течения, как и всех электрокинетических явлений, – образование двойного электрического слоя на межфазной поверхности. При течении жидкости по капиллярам под действием разности давлений за нею увлекаются противоионы диффузного слоя. Поскольку в диффузной части ДЭС имеется избыток ионов одного знака, возникает конвективный перенос электрического заряда по капиллярам пористого тела, называемый током течения. На концах капилляра возникает разность потенциалов, которая, в свою очередь, вызывает встречный объемный поток ионов противоположного знака. По разные стороны от капиллярно-пористой перегородки будут накапливаться ионы противоположного знака. При установившемся равновесии потоки ионов станут равными, а разность потенциалов примет постоянное значение, равное потенциалу течения.

Потенциалы течения возникают, например, при движении подземных вод через грунт и горные породы и могут служить источником информации для геологов и геофизиков, при циркуляции крови по капиллярам кровеносной системы, являясь одним из источников биопотенциалов в организме, перекачке технологических растворов и жидкого топлива по трубопроводам. При транспортировке жидкого топлива возникающие потенциалы течения могут стать причиной пожаров и взрывов.

полученных из (4.4), (4.6) и (4.7), следует, что потенциал течения тем выше, чем больше вязкость и меньше электрическая проводимость перекачиваемой жидкости. Например, при перекачке нефти потенциал течения может достигать сотен вольт. Поэтому для предотвращения возгорания нефти необходимо предпринимать меры по снижению потенциала течения. Эффективное снижение величины потенциалов течения может быть достигнуто применением олеофильных ПАВ, растворимых в углеводородах и частично диссоциирующих в неполярных средах.

Потенциал течения обратен электроосмосу: в обоих случаях происходит движение дисперсионной среды, однако при электроосмосе она перемещается под действием электрического поля, а в случае потенциала течения – в результате внешнего воздействия.

Электрокинетические явления были открыты профессором Московского университета Ф.Ф. Рейссом в 1808 г. при исследовании электролиза воды. Он поставил два эксперимента.

В одном была использована U-образная трубка, перегороженная в нижней части диафрагмой из кварцевого песка и заполненная водой. При наложении электрического поля он обнаружил движение жидкости в сторону отрицательно заряженного электрода (рис. 9.47).

Это движение происходило до установления определенной разности уровней жидкости (20 см), быстро спадающей после выключения тока. Поскольку без диафрагмы движение жидкости отсутствовало, то последовал вывод о заряжении жидкости при контакте с частицами кварца. Явление перемещения жидкости в пористых телах под действием электрического поля получило название электроосмоса.

Рис. 9.47. Электроосмос

В 1852 г. Видеман показал, что объемная скорость электроосмоса V прямопропорциональна силе тока I, а отношение V/I не зависит от сечения S и толщины l диафрагмы.

В другом опыте Рейсс погрузил в глину две стеклянные трубки, заполнил их водой и после наложения электрического поля наблюдал перемещение частиц глины в жидкости в направлении положительно заряженного электрода (рис. 9.48).

Явление перемещения частиц дисперсной фазы в электрическом поле получило название электрофореза.

В 1859 году Квинке показал, что существует явление обратное электроосмосу, т.е. при течении жидкости через пористое тело под влиянием перепада давлений возникает разность потенциалов (рис. 9.49), пропорциональная давлению, под которым протекает жидкость.

Рис. 9.48. Электрофорез

Это явление получило название потенциала течения (или протекания). Потенциал течения не зависит от размера диафрагмы, количества жидкости, но, как и при электроосмосе, пропорционален объемной скорости фильтрации.

Количественное исследование эффекта, обратного электрофорезу, было выполнено в 1878 году Дорном. Он измерял разность потенциалов между двумя одинаковыми электродами, расположенными на разной высоте цилиндра, при оседании в воде стеклянных бус или крупинок песка (рис. 9.50). Возникающая разность потенциалов обычно очень мала.

Явление возникновения разности потенциалов при осаждении дисперсной фазы получило название потенциала седиментации или оседания (эффект Дорна). Подобный эффект наблюдался в поле центробежной силы при центрифугировании суспензий.

Рис. 9.49. Эффект Квинке

Рис. 9.50. Эффект Дорна

Все эти явления называются электрокинетическими, поскольку в них обнаруживается взаимосвязь между электрическим полем и полем скорости (кинетическим). Они могут быть сгруппированы попарно – либо по принципу причинности, либо по принципу объекта. Различают:

1) электрокинетические явления первого рода - относительное перемещение фаз под действием приложенного напряжения; к ним относятся:

а) электрофорез – движение частиц дисперсной фазы в неподвижной дисперсионной среде;

б) электроосмос – движение жидкости относительно неподвижной твердой поверхности пористых мембран;

2) электрокинетические явления второго рода - возникновение разности потенциалов вследствие вынужденного относительного движения фаз; различают:

а) потенциал оседания (эффект Дорна) – возникновение разности потенциалов при движении частиц в неподвижной жидкости;

б) потенциал протекания (эффект Квинке) – возникновение разности потенциалов при движении жидкости относительно неподвижной твердой поверхности.

На рис. 9.51 представлена схема классификации, где причинно-следственная связь обозначается стрелками, а объекты делятся на системы типа ж/т, где жидкость перемещается как целое вдоль поверхности неподвижной твердой фазы, и системы типа т/ж (а также ж/ж, г/ж) с подвижными частицами дисперсной фазы и неподвижной дисперсионной средой.

Рис. 9.51. Схема классификации электрокинетических явлений

Совершенно очевидно, что причина всех электрокинетических явлений заключена в противоположности знаков заряда твердой фазы и жидкости.

С современной точки зрения заряд на коллоидных частицах лиозолей обусловлен наличием на их поверхности двойного электрического слоя (ДЭС), имеющего диффузное строение.

Читайте также: