Что такое электрофорез и электроосмос

Возникновение электрического заряда на поверхности играет чрезвычайно большую роль в физической химии дисперсных систем и поверхностных явлений. Явления, связанные с взаимодействием электрического поля с зарядом жидкости или с поверхностным зарядом диспергированных частиц твердого тела, получили название электрокинетических.

Движение жидкости относительно стенок твердых тел при наложении электрического поля получило название электроосмос. Движение твердых частиц под воздействием электрического поля названо электрофорез. Оба эти явления были впервые открыты и описаны в 1809 г. профессором МГУ Ф.Ф.Рейсом.

Если в нижнюю зону U-образной трубки поместить пористое тело или пучок большого числа стеклянных капилляров, заполнить оба колена U-образной трубки сильно разбавленным водным раствором электролита и пропускать ток, то жидкость будет перемещаться из одного колена в другое, т.е. будет осуществлять явление электроосмоса. Если пористая масса – стекло, то вода будет перемещаться к катоду. Объясняется это тем, что поверхность стекла адсорбирует гидроксид-ионы. В водном растворе остаются свободные ионы гидроксония, которые двигаются по направлению к катоду, увлекая за собой полярные молекулы воды.

Электрофорез в опытах рейса был осуществлен следующим образом: частицы диспергированной в воде глины передвигались при наложении электрического поля к аноду. Следовательно, частицы глины несут отрицательный заряд. Диспергированные частицы приобретают заряд вследствие избирательной адсорбции ионов.

80.Равновесие Гиббса-Доннана и его значение для поддержания постоянного солевого состава клетки

Для систем, в состав которых входят высокомолекулярные электролиты, диффузии которых препятствует мембрана и низкомолекулярные электролиты, процесс диффузии в целом протекает необычно. Эта особенность, приводящая к неравномерному распределению низкомолекулярных электролитов, получила теоретическое обоснование в работах Доннана.

Рассмотрим типичную модель системы, содержащие полиэлектролит и раствор низкомолекулярного электролита. Пусть это будет золь, отделенный от раствора низкомолекулярного электролита мембраной, непроницаемой для полиэлектролита и проницаемой для низкомолекулярного электролита. Такими полиэлектролитами могут быть белки, нуклеиновые кислоты. Пусть полиионы R-несут отрицательный заряд, а противоположно заряженный Na+является общим для ВМС (высокомолекулярных соединений) и НМС (низкомолекулярных соединений). Чтобы упростить расчет примем, что объемы А и Б двух частей системы равны и равны единице, а С₁.и С₂ – исходные концентрации.

Из условия сохранения электронейтральности через мембрану должно пройти в любом направлении равное количество отрицательно и положительно заряженных ионов. Поскольку ионы R-не могут диффундировать через мембрану, возможна только диффузия ионов Na+и Cl-из части Б в часть А. Диффузия будет протекать до тех пор, пока не установится равновесие, изображенное схемой:

для момента равновесия можно записать:

для ионов натрия ,

для ионов хлора ,

где k1и k2– коэффициент пропорциональности. Перемножив почленно левые и правые части уравнений, после преобразований получим:

. Из уравнения (2.6) следует, что при очень малой концентрации коллоидов (полиионов) в части системы А, когда С1значительно меньше, чем С2, т.е. С1С2, в знаменателе можно пренебречь величиной С1. В этом случае получим: .

Это значит, что при малой концентрации коллоидов низкомолекулярный электролит равномерно распределится по всему объему, по обе стороны мембраны.

Наоборот, очень большая концентрация полиионов в левой части системы будет препятствовать диффузии, HMC – ионов Na+и Cl-из правой части системы в левую. Действительно, если С1 С2, то в знаменателе можно пренебречь членом 2С2 и получим:

. (2.18). Если в состоянии равновесия при С1 С2ввести хлорид натрия в левую часть системы, то равновесие нарушится и ионы Na+и Cl-в соответствии со вторым законом термодинамики будут диффундировать в правую часть системы, т.е. от меньшей концентрации к большей. Равновесие Доннана имеет большое биологическое значение. Так, в плазме крови содержится 7-9 % белков. Однако кровь непосредственно не соприкасается с клетками. С ними соприкасается лимфа, заполняющая межклеточное и межтканевое пространство. Солевой состав лимфы почти не отличается от крови, но содержание белков в лимфе всего 0,01-0,03%. Именно поэтому в соответствии с (2.3) при введении соли в кровяную плазму лишь малая часть ее переходит в клетку, в которой поддерживается стабильный солевой состав.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: При сдаче лабораторной работы, студент делает вид, что все знает; преподаватель делает вид, что верит ему. 9336 — | 7292 — или читать все.

195.133.146.119 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

источник

Образование коллоидных систем происходит в присутствии электролита. При взаимодействии коллоидных частиц с электролитами на поверхности частиц адсорбируется один из ионов в соответствии с правилами избирательной адсорбции Пескова-Фаянса.

В результате вещество дисперсионной фазы приобретает определенный электрический заряд, а дисперсионная среда – противоположный. Наложение постоянного электрического поля приводит к тому, что частицы дисперсной фазы и среды движутся к противоположно заряженным электродам.

Наличие у дисперсных систем электрического заряда впервые было открыто в 1808г. профессором Московского университета Рейссом. Перенос коллоидных частиц в электрическом поле получил название электрофореза.

Исследованиями Видемана, проведенными в 1852г., было установлено, что количество жидкости, прошедшей через капилляры пористой диафрагмы, пропорционально силе тока и при постоянной силе тока не зависит от площади сечения или толщины диафрагмы. Это явление было названо электроосмосом.

Рис. 20.1 а) Схема опыта Рейсса по электрофорезу;

б) Схема опыта по электроосмосу.

В первом опыте жидкость помутнела, следовательно, частицы глины переносятся в электрическом поле к положительному полюсу. При электрофорезе в результате возникновения электрического поля между электродами, благодаря малому размеру частиц глины, происходит перенос отрицательно заряженной дисперсной фазы к положительному электроду. При электроосмосе ввиду того, что частицы песка слишком тяжелы, под влиянием электрического поля по капиллярам, имеющимся в слое песка, к отрицательному электроду передвигается положительно заряженная жидкость.

Причина обоих явлений одна и та же – наличие разноименных зарядов у твердой и жидкой фазы коллоидного раствора.

Явление электрофореза широко используется на практике при обезвоживании сырых нефтей, для улавливания в заводских трубах отходов ценных металлов и т.д. Принципы электроосмоса применяются при строительстве дамб, плотин, намывке грунтов, удалении из них избыточной влаги и др.

В дальнейшем были обнаружены два явления, которые противоположны электрофорезу и электроосмосу. Дорн в 1878г. обнаружил, что при оседании каких-либо частиц в жидкости, например песка в воде, возникает разность потенциалов между двумя электродами, введенными в разные места столба жидкости. Это явление, противоположное электрофорезу, получило название эффекта Дорна, или потенциала седиментации (оседания), являющегося, как предполагают, причиной возникновения грозовых разрядов в атмосфере.

При продавливании жидкости через пористую перегородку, по обеим сторонам которой находятся электроды, также было обнаружено возникновение разности потенциалов. Явление это, открытое Квинке в 1859г. и обратное электроосмосу, было названо потенциалом протекания, или потенциалом течения.

Все четыре указанных явления получили общее название электрокинетических явлений. Причиной этих свойств дисперсных систем считают существование двойного электрического слоя на границе раздела фаз. Теоретические основы электрокинетических явлений были разработаны Гельмгольцем (1879) и позднее Смолуховским (1921).

С современной точки зрения заряд на коллоидных частицах лиозолей, проявляющийся при электрофорезе, обусловлен наличием на их поверхности двойного электрического слоя из ионов, возникающего либо в результате избирательной адсорбции одного из ионов электролита, находящегося в растворе, либо за счет ионизации поверхностных молекул веществ.

Иодид-ионы (потенциалопределяющие ионы (ПОИ)) достраивают кристаллическую решетку иодида серебра и тем самым придают частицам отрицательный заряд, а ионы калия (противоионы) находятся в растворе вблизи межфазной поверхности. В целом, весь комплекс, называемый мицеллой, остается электронейтральным.

Возникновение двойного электрического слоя за счет ионизации можно проиллюстрировать образованием двойного электрического слоя на частицах водного золя диоксида кремния. Молекулы SiO₂, находящиеся на поверхности таких частиц, взаимодействуют с дисперсионной средой, гидратируются и образуют кремниевую кислоту, способную ионизироваться:

При этом силикат ионы SiO₃² – остаются на поверхности частицы, обуславливая ее отрицательный заряд, а ионы водорода переходят в раствор.

При действии электрического поля на частицы, несущие двойной электрический заряд, происходит явление, напоминающее электролиз. Если дисперсная фаза заряжена отрицательно, коллоидные частицы вместе с адсорбированными на них отрицательными ПОИ движутся к аноду, а положительно заряженные противоионы – к катоду. Если дисперсная фаза заряжена положительно, направление движения частиц и ионов меняется на обратное.

Следует отметить, что к электроду, имеющему заряд, одноименный с заряженными частицами, движется только часть противоионов. Другая часть противоионов, находящихся весьма близко от поверхности дисперсной фазы, под действием значительных электрических и адсорбционных сил оказывается связанной с частицами и вынуждена двигаться вместе с ними.

Рис. 20.3 Схема движения коллоидных частиц и противоионов

При этом совершенно произвольно принято, что ПОИ заряжены отрицательно, а противоионы – положительно.

Дата добавления: 2014-01-07 ; Просмотров: 1603 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

источник

Электрокинетические явления: электрофорез, электроосмос, электрофоретические методы исследования в медицине.

ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, группа явлений, наблюдаемых в дисперсных системах, мембранах и капиллярах; включает электроосмос, электрофорез, потенциал течения и потенциал оседания(седиментационный потенциал, или эффект Дорна). Электроосмос — течение жидкости в капиллярах и пористых телах, вызванное внеш. электрич. полем; обратное ему электрокинетическое явление — потенциал течения — появление электрич. разности потенциалов на концах капилляра или мембраны при протеканиижидкости. Электрофорез — движение твердых частиц или капель, взвешенных в электролите, при наложении электрич. поля. Обратное электрокинетическое явление-появление электрич. разности потенциалов на границах облака оседающих (седиментирующих) частиц, взвешенных в электролите (эффект Дорна).
Осн. роль в возникновении электрокинетических явлений играет двойной электрический слой (ДЭС), формирующийся у пов-сти раздела фаз. Внеш. электрич. поле, направленное вдоль границы раздела фаз, вызывает смещение одного из ионных слоев, образующих ДЭС, по отношению к другому, что приводит к относит. перемещению фаз, т. е. к электроосмосу или электрофорезу. Аналогичным образом при относит. движении фаз, вызываемом мех. силами, происходит перемещение ионных слоев ДЭС, что приводит к пространств. разделению зарядов (поляризации) в направлении движения и к перепаду электрич. потенциала (потенциал течения, потенциал оседания).

Электроосмос

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.

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

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. 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

Электрофорезлекарственный- это один из методов физиотерапии, который заключается в одновременном воздействии на организм постоянного электрического тока и вводимых им (через кожу или слизистые оболочки) ионов лекарственных веществ. Доказано, что при электрофорезеповышается чувствительность рецепторов к лекарственным веществам, которые полностью сохраняют свои фармакологические свойства. Основные особенности электрофореза — выраженное и продолжительное терапевтическое действие малых доз лекарственных веществ за счёт создания своеобразного кожного депо применяемых препаратов, а также возможность оказывать местное воздействие при некоторых патологических состояниях (например, при местных сосудистых расстройствах), затрудняющих поступление препарата в патологический очаг из крови.

При электрофорезе возможно одновременное применение нескольких лекарственных веществ. В ряде случаев для электрофореза используют также импульсный ток постоянного направления, что повышает лечебный эффект метода. Источники тока, а также правила проведения электрофорезатакие же, как при гальванизации. Для электрофорезаоба электрода с прокладками, смоченными раствором лекарственного вещества, располагают на коже либо один из них помещают в полости носа, уха, во влагалище и других; в некоторых случаях вместо прокладки используют ванночку с раствором лекарственного вещества, в которую опущен угольный электрод.Электрофорезприменяют при заболеваниях центральной и периферической нервной системы, опорно-двигательного аппарата, гинекологических заболеваниях и др.

Практическое применение электроосмоса ограничено из-за большого расхода электроэнергии. Тем не менее, это явление используется для удаления влаги при осушке различных объектов (стен зданий, сыпучих материалов, при строительстве плотин, дамб и т. д.), для пропитки материалов различными веществами. При электроосмотической осушке в объект вводят электроды, представляющие собой полые металлические трубы с отверстиями. В замкнутой электрической цепи происходит электроосмотический перенос жидкости к определенному электроду, которая собирается в нем, и затем ее откачивают наносом. Все большее значение приобретает электроосмотическая фильтрация, сочетающая в себе два процесса: фильтрацию под действием приложенного давления и электроосмотический перенос жидкости в электрическом поле.

Дата добавления: 2016-01-16 ; просмотров: 1873 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

источник

Фердинанд Фридрих фон Рейсс (1778-1852).

Явления электрофореза и электроосмоса.

В 1803 году куратор Московского университета М.Н.Муравьев пригласил заведовать кафедрой химии молодого энергичного ученого из Германии Фридриха Рейса, который активно занялся научной деятельностью, в частности, исследованиями электрокинетических явлений.

Фердинанд Фридрих фон Рейсс (1778 – 1852) родился в Тюбингене. Его отец являлся профессором Тюбингского университета. В 1800 г. Ф. Рейсс, окончив университетский курс в Тюбингене, получил степень лиценциата медицины. Уже в 1801 г. Рейсс получил степень доктора медицины и хирургии и одновременно звание приват-доцента всеобщей медицинской химии. По приезде в Москву молодой ученый был сразу удостоен звания экстраординарного профессора (1804) Московского университета. Год спустя он был выбран в члены-корреспондены Петербургской АН. С 1808 года одинарный профессор Московского университета. Кроме того, ученый являлся в 1817– 39гг. профессором кафедры химии и рецептуры в Московском Отделении Императорской Медико-Хирургической Академии, там же возглавлял кафедру истории, методологии и энциклопедии медицины. В 1828 г. Был избран академиком Медико-хирургической академии.

В 1839 г. ученый возвратился на родину.

Важным направлением деятельности ученого явились исследования врачебного действия различных лекарств, часть его исследований была посвящена изучению физиологических процессов, происходящих в живых организмах.

В 1809 году Рейс открыл явления электрофореза и электроосмоса.

К сожалению, малая распространенность изданий, в которых были напечатаны работы Рейса, связанные с исследованием электрокинетических явлений (к тому же большая часть их была уничтожена пожаром 1812 года), объясняет то, что его труды в этой области остались практически неизвестными для широкой научной общественности. В частности, имя Рейсса даже не упоминается в работах по истории физической химии В. Оствальда.

Тем не менее, открытия Рейсса дали начало большому числу научных направлений (теория двойного электрического слоя, электрохимия, теория устойчивости дисперсных систем и др.) и практических применений электрофореза и электроосмоса в технике, геологоразведке, медицине. Несомненно, что открытие Рейсса является одним из наиболее крупных достижений ученых Московского университета.

Московский университет, которому Рейс отдал 30 лет своей творческой деятельности, высоко ценит вклад ученого в развитие науки. И хотя он не принимал российского подданства, он был занесен в список выдающихся ученых России.

Электрокинетическими явлениями называют перемещение одной фазы относительно другой в электрическом поле и возникновение разности потенциалов при течении жидкости через пористые материалы (потенциал протекания) или при оседании частиц (потенциал оседания).

Рейсс поставил два эксперимента.

В одном из них Ф. Ф. Рейсс погрузил в глину две стеклянные трубки, заполнил их водой и после наложения на них электрического поля наблюдал перемещение частиц глины в жидкости в направлении положительно заряженного электрода. Через некоторое время жидкость в трубке с положительным электродом становилась мутной из-за подъема частиц глины к электроду. Одновременно уровень жидкости в этой трубке понизился, а в другой поднялся. Этот опыт показал, что частицы глины имеют отрицательный заряд и перемещаются в электрическом поле.

Движение дисперсных частиц относительно дисперсионной среды (жидкой и газообразной) под действием электрического поля было названо электрофорезом. В водной среде частица двигается к электроду, знак заряда которого противоположен знаку электрокинетического потенциала.

В другом эксперименте Рейсс использовал U -образную трубку, перегороженную в нижней части диафрагмой из кварцевого песка и заполненную водой. При наложении электрического поля он обнаружил движение жидкости в сторону отрицательно заряженного электрода. Происходящее до тех пор, пока не устанавливалась определенная разность уровней жидкости (равновесие с гидростатическим давлением). Поскольку без диафрагмы движение жидкости отсутствовало, то последовал вывод о заряжении жидкости при контакте с частицами кварца. Явление получило название электроосмоса.

Таким образом, электроосмос – перемещение дисперсионной среды под действием электрического поля: противоионы диффузного слоя притягиваются к соответствующему электроду и увлекают за собой жидкость дисперсионной среды. Электроосмос проявляется также при движении жидкости дисперсной системы через капилляры или поры диафрагмы под действием электрического тока. Электроосмосом можно объяснить некоторые природные процессы.

Электроосмос используют для обезвоживания древесины, грунта, торфа и других материалов.

Первые количественные исследования электроосмоса были выполнены много позже Видеманном (1852). Он показал, что объёмная скорость υ электроосмоса пропорциональна силе тока I при прочих фиксированных параметрах, а отношение υ/ I не зависит от площади сечения и толщины диафрагмы.

Электрокинетические явления имеют практическое применение.

На электрофорезе основаны очистка воды, улавливание частиц дыма или пыли, выделение белков, аминокислот, витаминов и т.п. Поскольку вместе с гранулами передвигаются молекулы жидкости, составляющие их сольватные оболочки, электрофорезом производят частичное обезвоживание различных материалов (глины, почвы, мокрого торфа). Электрофоретическим методом производится нанесение покрытий на различные поверхности, например, в нашей стране эксплуатируются автоматические линии грунтовки кузовов автомобилей, также он широко применяется для покрытия катодов радиоламп, полупроводниковых деталей, нагревателей и т. д.

Практическое применение электроосмоса ограничено из-за большого расхода электроэнергии. Тем не менее, это явление используется для удаления влаги при осушке различных объектов (стен зданий, сыпучих материалов, при строительстве плотин, дамб и т. д.), для пропитки материалов различными веществами. Все большее значение приобретает электроосмотическая фильтрация,

источник

Электрический заряд может возникать на любой твердой поверхности, находящейся в контакте с жидкостью. Значение удельного заряда сравнительно небольшое: например, для глины на границе с водой оно составляет несколько десятков милликулонов, поэтому поверхность куска глины массой 1 кг, равная сотым долям квадратного метра, будет иметь ничтожно малый электрический заряд. Частицы глины общей массой 1 кг реализуют поверхность в миллионы раз большую, чем ее сплошной кусок, что приводит к резкому увеличению заряда поверхности. 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 двойного электрического слоя и определяются ζ-потенциалом, который именно поэтому и называют электрокинетическим.

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

Электрофорез — это перемещение под действием электрического поля частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды. Схема электрофореза показана на рис. 6.11, где частица дисперсной фазы для наглядности дана в увеличенном масштабе. При наложении внешнего электрического поля частицы дисперсной фазы начинают двигаться к электроду, знак заряда которого противоположен знаку ζ-потенциала; направление движения частицы на рисунке показано стрелкой.

Движение частиц при электрофорезе обусловлено притяжением разноименных зарядов. Диффузный слой не препятствует взаимодействию разноименных зарядов. Противоионы в этом слое подвижны, распределяются неравномерно и не в состоянии экранировать действие внешнего электрического поля на частицы дисперсной фазы. Движение частиц происходит по границе скольжения.

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 (короткая стрелка на рис. 6.11).

Рис. 6.11. Схема электрофореза:

При электрофорезе происходит движение частиц дисперсной фазы в направлении силовых линий электрического поля. Электрофорез используют для получения новых материалов, нанесения покрытий, очистки веществ от примесей и выделения продуктов. В медицине электрофорез применяют для введения лекарственных веществ. На кожу пациента накладывают тампон, смоченный раствором лекарственного препарата, а сверху — электроды, к которым приложен низкий, безопасный для организма потенциал. В ходе этой процедуры частички лекарственного препарата под действием электрического поля переходят в ткани организма человека.

Электроосмосом называют перемещение дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля (рис. 6.12). Движение дисперсионной среды обусловлено притяжением разноименных зарядов. Оно происходит зачастую в капиллярах и в каналах пористых тел. Когда ζ-потенциал отрицательный, то положительно заряженные противоионы диффузного слоя притягиваются к отрицательному электроду. Противоионы увлекают за собой жидкость, составляющую дисперсионную среду. В результате этого происходит движение жидкости, причем перемещение жидкой дисперсионной среды относительно частиц дисперсной фазы, как и в случае электрофореза, происходит по границе скольжения.

Рис. 6.12. Схема электроосмоса

1 — дисперсная система; 2 — перегородка

Электроосмос используют, например, для обезвоживания древесины и других пористых материалов: строительных, грунта, продуктов питания, сырья для пищевой промышленности и др. Влажную массу помещают между электродами, а вода в зависимости от структуры ДЭС движется к одному из них и собирается в специальной емкости.

Для осуществления электрофореза или электроосмоса необходимо внешнее электрическое поле, т.е. движение частиц при электрофорезе или среды при электроосмосе является следствием воздействия этого поля.

Следует отметить, что явление электрофореза характерно главным образом для коллоидных растворов (золей), т.е. для систем, у которых размеры частиц дисперсной фазы не превышают 0,1 мкм. Электроосмос может наблюдаться не только в отношении коллоидных растворов, которые являются высокодисперсными системами, но и в отношении средне- и грубодисперсных систем.

источник

Федеральное Агентство по образованию РФ

ШАХТИНСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА (НПИ)

на тему: «Электрофорез и электроосмос»

К защите Защита принята с оценкой «__»__________2008 г. ________________________

___________________ «__»____________ 2008 г.

В данном реферате рассматриваются общие сведения о дисперсных системах, электрокинетические явления в них, в частности электрофорез и электроосмос, основные понятия, формулы. Также практическое применение электрокинетических явлений в науке и технике.

1 Электрокинетические явления

2 Практическое применение электрокинетических явлений

Список используемых источников

Дисперсные системы. Кристаллы любого вещества, например сахара или хлорида натрия, можно получить разного размера – крупные и мелкие. Каков бы ни был размер кристаллов, все они имеют одинаковую для данного вещества внутреннюю структуру – молекулярную или ионную кристаллическую решетку.

При растворении в воде кристаллов сахара и хлорида натрия образуются соответственно молекулярные и ионные растворы. Таким образом, одно и то же вещество может находиться в различной степени раздробленности: макроскопически видимые частицы (>0,2 – 0,1 мм, разрешающая способность глаза), микроскопически видимые частицы (от 0,2 – 0,1мм до 400 – 300 нм*, разрешающая способность микроскопа при освещении белым светом) и в молекулярном (или ионном) состоянии. Постепенно складывались представления о том, что миром молекул и микроскопически видимых частиц находится область раздробленности вещества с комплексом новых свойств, присущих этой форме организации вещества.

Представим себе кубик какого-либо вещества, который будем разрезать параллельно одной из его плоскостей, затем полученные пластинки начнем нарезать на палочки, а последние на кубики. В результате такого диспергирования (дробления) вещества получаются плёночно-, волокнисто- и корпускулярнодисперсные (раздробленные) системы. Если толщина пленок, поперечник волокон или частиц (корпускул) меньше разрешающей способности оптического микроскопа, то они не могут быть обнаружены с его помощью. Такие невидимые в оптический микроскоп частицы называют коллоидными, а раздробленное (диспергированное) состояние веществ с размером частиц от 400 – 300 нм до 1 нм – коллоидным состоянием вещества.

1. Электрокинетические явления

Электрокинетическими явлениями называют перемещение одной фазы относительно другой в электрическом поле и возникновение разности потенциалов при течении жидкости через пористые материалы (потенциал протекания) или при оседании частиц (потенциал оседания). Перенос коллоидных частиц в электрическом поле называется электрофорезом, а течение жидкости через капиллярные системы под влиянием разности потенциалов – электроосмосом. Оба эти явления были открыты профессором Московского университета Ф. Ф. Рейссом в 1809 г.

Рейсс поставил два эксперимента. В одном из них он использовал U-образную трубку, перегороженную в нижней части диафрагмой из кварцевого песка и заполненную водой. При наложении электрического поля он обнаружил движение жидкости в сторону отрицательно заряженного электрода. Происходящее до тех пор, пока не устанавливалась определенная разность уровней жидкости (равновесие с гидростатическим давлением). Поскольку без диафрагмы движение жидкости отсутствовало, то последовал вывод о заряжении жидкости при контакте с частицами кварца. Явление получило название электроосмоса.

В другом эксперименте Ф. Ф. Рейсс погрузил в глину две стеклянные трубки, заполнил их водой и после наложения на них электрического поля наблюдал перемещение частиц глины в жидкости в направлении положительно заряженного электрода. Это был электрофорез. Таким образом, было обнаружено, что частицы имеют заряд, противоположный заряду жидкости.

Первые количественные исследования электроосмоса были выполнены Видеманном (1852). Он показал, что объёмная скорость υ электроосмоса пропорциональна силе тока I при прочих фиксированных параметрах, а отношение υ/I не зависит от площади сечения и толщены диаграммы.

В 1859 г. Квинке показал, что существует явление, обратное электроосмосу, т. е. при течении жидкости через пористое тело под влиянием перепада давлений возникает разность потенциалов. Возникновение разности потенциалов Квинке наблюдал при течении воды и водных растворов через разнообразные пористые материалы (глина, дерево, песок, графит и др.). Это явление получило название потенциала течения (или протекания). Позже было установлено, что потенциал течения не зависит от размера диаграммы, количества фильтруемой жидкости, но, как и при электроосмосе, пропорционален объёмной скорости фильтрации.

Количественное исследование эффекта, обратного электрофорезу, впервые было выполнено Дорном в 1878 г. 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 оседания (или эффект Дорна).

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

Наибольшее практическое применение получили электрофорез и электроосмос.

Основную роль в возникновении электрокинетических явлений играет двойной электрический слой (ДЭС), формирующийся у поверхности раздела фаз. Внешнее электрическое поле, направленное вдоль границы раздела фаз, вызывает смещение одного из ионных слоев, образующих ДЭС, по отношению к другому, что приводит к относительному перемещению фаз, т. е. к электроосмосу или электрофорезу. Аналогичным образом при относительном движении фаз, вызываемом механическими силами, происходит перемещение ионных слоев ДЭС, что приводит к пространственному разделению зарядов (поляризации) в направлении движения и к перепаду электрического потенциала (потенциал течения, потенциал оседания).

Направленное перемещение жидкости в пористом теле под действием приложенной разности потенциалов называется электроосмосом. Рассмотрим, например, электроосмотическое скольжение электролита в капилляре или порах мембраны. Примем для определенности, что на поверхности адсорбированы отрицательные ионы, которые закреплены неподвижно, а положительные ионы формируют диффузную часть ДЭС. Внешнее поле Е направлено вдоль поверхности. Электростатическая сила, действующая на любой произвольный элемент диффузной части ДЭС, вызывает движение этого элемента вдоль поверхности. Поскольку плотность заряда в диффузной части ДЭС Ф(х ) меняется в зависимости от расстояния до поверхности х (рис. 1), разложенные слои жидкого электролита движутся с разными скоростями. Стационарное состояние (неизменность во времени скорости течения) будет достигнуто, когда действующая на произвольный слой жидкости электростатическая сила скомпенсируется силами вязкого сопротивления, возникающими из-за различия скоростей движения слоев жидкости, находящихся на разном удалении от поверхности. Уравнения гидродинамики, описывающие движение жидкости при постоянных вязкости жидкости

источник

Электрофорез и электроосмос

Наличие у частиц дисперсных систем электрического заряда было открыто еще в 1808 г. Процесс переноса частиц в электрическом поле получил название электрофореза. Процесс переноса жидкости при приложении разности потенциалов через пористую перегородку назван электроосмосом. Причем установлено, что количество жидкости, прошедшей через пористую перегородку пропорционально силе тока, и при постоянной силе тока не зависит от площади сечения или толщины перегородки.

Причина обоих явлений одна и та же — наличие разноименных зарядов у твердой и жидкой фазы. В зависимости от того, что является неподвижным жидкость или твердая поверхность, — наблюдается передвижение твердой фазы (электрофорез) или жидкости (электроосмос).

При электрофорезе (рис. 3.5) в результате возникновения электрического поля между электродами, благодаря малому размеру частиц дисперсной фазы, происходит перенос отрицательно заряженной дисперсной фазы к положительному электроду. При электроосмосе (рис.З.б) пол влиянием электрического поля по капиллярам перегородки к отрицательному электроду передвигается положительно заряженная жидкость.

Заряд на частицах, проявляющийся при электрофорезе, обусловлен наличием на их поверхности двойного электрического слоя (ДЭС) из ионов, возникающего либо в результате избирательной адсорбции одного из ионов электролита, либо за счет ионизации поверхностных молекул вещества. При действии электрического поля на частицы, несущие двойной электрический слой, происходит явление, напоминающее электролиз. Если дисперсная фаза заряжена отрицательно, коллоидные частицы вместе с адсорбированными на них отрицательными потенциал-определяющими ионами движутся к аноду, а положительно заряженные противоионы — к катоду. Если дисперсная фаза заряжена положительно, направление движения частиц и ионов меняется на обратное.

Аналогичное объяснение имеет явление электроосмоса. ДЭС в этом случае образуется на внутренней поверхности капилляров перегородки либо в результате избирательной адсорбции одного из ионов электролита, присутствующего в жидкости, заполняющей капилляр, либо ионизации молекул вещества, из которого состоит капилляр, либо в — результате адсорбции на поверхности капилляра ионов ОН — и Н + . При наложении на капилляр электрического поля слой противоионов в капилляре будет смещаться параллельно неподвижному слою потенциал-определяющих ионов к катоду, что вызовет и перемещение к катоду всей жидкости, заполняющей капилляр, под действием сил трения и молекулярного сцепления.

Метод электродиализа использует:

1) электролитическую диссоциацию в воде молекул растворенных веществ на ионы;

2) направленное движение ионов в электрическом поле;

3) селективные свойства ионообменных мембран по отношению к ионам, имеющим заряды различных знаков.

Растворение солей в воде с образованием ионных пар происходит под воздействием диполей, образуемых молекулами воды в силу особенностей расположения в них атомов водорода и кислорода.

В постоянном электрическом поле ионы получают направленное движение согласно ориентации поля, при этом сохраняется принцип электронейтральности раствора в любой его точке.

Селективность ионообменных мембран, т.е. способность пропускать ионы с зарядом одного знака, обусловлена наличием в них фиксированных ионогенных групп, электрическое поле которых препятствует прохождению через мембрану ионов с зарядом того же знака, что и заряд иона фиксированного в полимерной матрице мембраны.

— Ионообменные мембраны (главный рабочий элемент электродиализа) изготавливаются из ионообменных смол (ионитов) активные группы которых способны к ионному обмену. Перенос электричества в мембранах под действием электрического поля, обусловлен диффузией противоионов из раствора в мембрану и из мембраны в раствор с противоположной стороны. Перенос ионов в мембране происходит за счет подвижных противоионов. Мембрана, содержащая ионогенные группы положительных ионов (анионообменная мембрана), в электрическом поле в вводном растворе пропускает, в основном, только анионы. Мембрана, содержащая ионогенные группы отрицательных ионов (катионнообменная мембрана) — пропускает, в основном, только катионы.

источник

К электрокинетическим явлениям относят эффекты, связанные либо с относительным движением двух фаз под действием постоянного электрического поля, либо с возникновением разности потенциалов при относительном смещении двух фаз, на границе между которыми существует двойной электрический слой.

Электрокинетические явления подразделяют на две группы: прямые и обратные. К прямым относят те электрокинетические явления, которые возникают под действием внешнего электрического поля (электрофорез и электроосмос). Обратными называют электрокинетические явления, в которых при механическом перемещении одной фазы относительно другой возникает электрический потенциал (потенциал протекания и потенциал седиментации).

Электрофорез и электроосмос были открыты Ф. Рейссом (1808). Он обнаружил, что если во влажную глину погрузить две стеклянные трубки, заполнить их водой и поместить в них электроды, то при пропускании постоянного тока происходит движение частичек глины к одному из электродов.

Это явление перемещения частиц дисперсной фазы в постоянном электрическом поле было названо электрофорезом.

В другом опыте средняя часть U-образной трубки, содержащей воду, была заполнена толченым кварцем, в каждое колено трубки помещен электрод и пропущен постоянный ток. Через некоторое время в колене, где находился отрицательный электрод, наблюдалось поднятие уровня воды, в другом  опускание. После выключения электрического тока уровни воды в коленах трубки уравнивались.

Это явление перемещения дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы в постоянном электрическом поле названо электроосмосом.

Позже Квинке (1859) обнаружил явление, обратное электроосмосу, названное потенциалом протекания. Оно состоит в том, что при течении жидкости под давлением через пористую диафрагму возникает разность потенциалов. В качестве материала диафрагм были испытаны глина, песок, дерево, графит.

Явление, обратное электрофорезу, и названное потенциалом седиментации, было открыто Дорном (1878). При оседании частиц суспензии кварца под действием силы тяжести возникала разность потенциалов между уровнями разной высоты в сосуде.

Все электрокинетические явления основаны на наличии двойного электрического слоя на границе твердой и жидкой фаз.

Из описанных явлений электрофорез имеет наиболее широкое практическое применение. При электрофорезе происходит направленное перемещение частиц дисперсной фазы в электрическом поле постоянного тока к электроду, знак которого противоположен знаку заряда частиц. Подвижность частиц в электрическом поле обусловлена тем, что при наложении внешней разности потенциалов происходит разрыв двойного электрического слоя по границе скольжения и частица получает заряд, соответствующий ее ξ-потенциалу. Противоионы диффузного слоя перемещаются при этом к противоположному электроду. Очевидно, что скорость движения частиц дисперсной фазы пропорциональна величине их ξ‑потенциала. Наблюдая электрофоретическое движение частиц, можно определить знак и величину ξ‑потенциала коллоидной частицы.

Величина ξ‑потенциала связана со скоростью электрофореза заряженных частиц зависимостью, названной уравнением Гельмгольца – Смолуховского:

, (1)

где k — коэффициент, зависящий от формы частиц (для сферических частиц k = 6, для цилиндрических k = 4); η – вязкость среды; υ – линейная скорость перемещения частиц (или границы золя); ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды; Е – напряженность поля (градиент потенциала).

Линейная скорость υ изменяется пропорционально напряженности поля Е, поэтому не может служить характеристикой частиц. В связи с этим введено понятие электрофоретической подвижности υ_эф., равной скорости движения частицы при единичном градиенте потенциала (Е = 1):

. (2)

Экспериментально найденные значения подвижностей часто оказываются меньше расчетных. Несовпадение этих величин объясняете в основном тем, что теория Гельмгольца  Смолуховского не учитывает два явления: релаксационный эффект и электрофоретическое торможение. Первый из этих эффектов вызывается нарушением симметрии диффузного слоя вокруг частиц. Второй эффект обусловлен добавочным трением электрической природы при движении частиц и противоионов в противоположные стороны.

Методы электрофореза имеют большое теоретическое и практическое значение. Знание величины ξ-потенциала позволяет судить об устойчивости коллоидного раствора, поскольку изменение его устойчивости, как правило, происходит пропоционально изменению электрокинетического потенциала.

Электроосмос, как и электрофорез, получил широкое применение. Механизм электроосмоса заключается в следующем. Нерастворимый материал мембраны при контакте с жидкостью (водой) диссоциирует с поверхности, отщепляя в жидкость те или другие ионы. Возникает двойной электрический слой, внутренняя обкладка которого входит в состав твердой фазы, а противоионы диффузно располагаются в жидкости. При включении постоянного электрического тока противоионы диффузного слоя перемещаются к электроду соответствующего знака. Так как ионы в воде всегда гидратированы, то при движении иона с ним увлекается определенный объем дисперсионнной среды за счет сил молекулярного трения (вязкости) между гидратной оболочкой иона и окружающей жидкостью. Очевидно, что чем больше толщина диффузного слоя и меньше площадь поперечного сечения капилляра или поры мембраны, тем сильнее проявляется электроосмотический перенос жидкости. Метод электроосмоса имеет большое практическое применение в процессах обезвоживания и сушки многих пористых материалов или весьма концентрированных коллоидных систем. Дли этой цели применяют, например, электрофильтр-прессы.

Виды устойчивости дисперсных систем. Лиофобные и лиофильные золи

Устойчивость дисперсных систем – это возможность их нахождения в исходном состоянии неопределенно долгое время.

Устойчивость дисперсных систем может быть:

К осаждению дисперсной фазы — характеризует способность дисперсной системы сохранять равновесное распределение фазы по объему дисперсионной среды или ее устойчивость к разделению фаз. Это свойство называется седиментационная (кинетическая) устойчивость.

Агрегативная устойчивость – это способность дисперсной системы сохранять неизменной во времени степень дисперсности, т.е. размеры частиц и их индивидуальность.

Она обусловлена способностью дисперсных систем образовывать агрегаты (т.е. укрупняться). По отношению к агрегации дисперсные системы могут быть устойчивыми кинетически и термодинамически. Термодинамически устойчивые системы образуются в результате самопроизвольного диспергирования одной из фаз, т.е. самопроизвольного образования гетерогенной свободнодисперсной системы. Дисперсные системы также делят на:

лиофильные, обладающие термодинамической устойчивостью;

лиофобные, которые термодинамически неустойчивы к агрегации, но могут быть устойчивы кинетически, т.е. обладать значительным временем жизни.

Особенности этих двух видов устойчивости показаны на схеме:

Термодинамическая устойчивость лиофильных систем означает, что они равновесны (энергия Гиббса G  min), обратимы и образуются самопроизвольно, как из макрофаз, так и из истинных растворов. Поскольку образуются гетерогенные системы, то поверхностная энергия должна быть скомпенсирована энтропийной составляющей, т.е. частицы дисперсной системы должны участвовать в молекулярно кинетическом (тепловом) движении. Отсюда следует, что лиофильные системы могут быть только ультромикрогетерогенными, а поверхностное натяжение на границе «частица – среда» должно быть очень малым. Значение поверхностного натяжения, при котором обеспечивается термодинамическая устойчивость дисперсных систем, определяется соотношением Ребиндера – Щукина:

,

где ỵ езразмерный коэффициент;

а – средний размер частицы.

Расчеты показывают, что межфазное поверхностное натяжение в лиофильных дисперсных системах в зависимости от размеров частиц может иметь значение от 1,410 -7 до 1,410 -3 Дж/м 2 . Типичными представителями лиофильных дисперсных систем являются растворы коллоидных поверхностно активных веществ (ПАВ) (ассоциативные коллоиды) и растворы полимеров (молекулярные коллоиды).

Лиофобные системы термодинамически неустойчивы, т.к. частицы дисперсной фазы склонны к агрегации. Их агрегативная термодинамическая неустойчивость обусловлена избытком поверхностной энергии. Межфазное натяжение в них больше рассчитанного по соотношению Ребиндера – Щукина, поэтому они не могут быть получены самопроизвольным диспергированием. Для их образования должна быть затрачена внешняя энергия. Укрупнение частиц дисперсной фазы при потере агрегативной устойчивости достигается двумя путями:

Изотермическая перегонка, т.е. растворение мелких и рост крупных частиц в соответствии с уравнением Кельвина;

За счет слипания частиц, т.е. коагуляцией.

В зависимости от природы среды и концентрации дисперсной фазы эти процессы могут заканчиваться или осаждением, или структурообразованием.

При нарушении агрегативной устойчивости происходит коагуляция.

Правила коагуляции электролитами. Порог коагуляции. Правило Шульце-Гарди. Виды коагуляции: концентрационная и нейтрализационная. Коагуляция смесями электролитов. Явление «неправильные ряды». Механизм и кинетика коагуляции

Коагуляцией называется процесс слипания частиц с образованием крупных агрегатов. В результате коагуляции система теряет свою седиментационную устойчивость, так как частицы становятся слишком крупными и не могут участвовать в броуновском движении.

Коагуляция является самопроизвольным процессом, так как она приводит к уменьшению межфазной поверхности и, следовательно, к уменьшению свободной поверхностной энергии.

Различают две стадии коагуляции.

1 стадия – скрытая коагуляция. На этой стадии частицы укрупняются, но еще не теряют своей седиментационной устойчивости.

2 стадия — явная коагуляция. На этой стадии частицы теряют свою седиментационную устойчивость. Если плотность частиц больше плотности дисперсионной среды, образуется осадок.

Причины коагуляции многообразны. Едва ли существует какое либо внешнее воздействие, которое при достаточной интенсивности не вызывало бы коагуляцию.

источник

При воздействии электрического поля высокой напряженности на вещество, находящееся в твердом, жидком или газообразном состоянии, возникают процессы, при которых наряду с изменением физических и химических свойств материала происходит измене­ние распределения образующих его частиц в пространстве. Это применение электрических полей высокой напряженности в техно­логических процессах получило общее название электронно-ион­ной технологии (ЭИТ).

Электронно-ионная технология включает в себя три характер­ных процесса: электризацию материала в момент диспергирования или уже находящегося в дисперсном состоянии; организацию раз­личных форм движения частиц в электрическом поле; формирова­ние готового продукта или изделия.

Получили развитие следующие виды ЭИТ:

электрогазоочистка — выделение из газового (воздушного) по­тока содержащихся в нем твердых или жидких частиц;

электросепарация — разделение многокомпонентных систем на компоненты, путем использования электрофизических и физико-хи­мических свойств частиц компонентов;

электроокраска — нанесение твердых или жидких покрытий на изделия;

электропечать — формирование изображения, получение много­кратных копий, выполнение матриц для размножения;

В основе электронно-ионной технологии лежат следующие яв­ления.

Электроосмос — движение жидкости по отношению к твердому телу под действием электрического поля.

Электрофорез, или катафорез, — движение частиц, взвешенных в жидкости или газе под воздействием электрического поля.

Электродиализ—явление, которое составляют диализ (очистка растворов от электролитов) и электрофорез.

Указанные явления протекают в электростатических установ­ках. При массопереносе в таких установках электрическое поле перемещает не ионы, как это происходит при электролизе, а макрочастицы вещества, состоящие из большого количества молекул.

Электрокосмос используется для удаления избыточной влаги из почв при прокладке транспортных магистралей и гидротехническом строительстве, для сушки торфа, обезвоживания пористых материалов, очистки воды, технических жидкостей и т. д.

Скорость воды при электроосмосе

, (18.1)

Здесь с – константа; ρ — поверхностная плотность зарядов, Кл/м 2 ; γ – объёмная плотность грунта, кг/м 3 ; η — вязкость воды; S — общая поверхность частиц грунта в единице объема, м 2 .

В электростатических установках протекание процессов обусловлено возникающими кулоновскими силами. Для их возникновения частицы должны быть заряжены.

На практике используются в основном три принципа зарядки частиц: I) путем осаждения на поверхности частицы ионов из объёма газа, окружающего частицу; 2) путем электростатической индукции, т. е. разделения зарядов в электрическом поле; 3) путем механической, химической и тепловой электризации.

Процесс зарядки частиц путем механической, тепловой или химической электризации сложен и мало изучен, поскольку в его основе лежат сложные молекулярные процессы.

Наиболее распространена на практике электризация частиц за счёт трения друг о друга и о стенки сосуда (трибоэлектричество).

Контактный заряд проводящей частицы, коснувшейся заряженного тела,

здесь С — емкость частицы, Ф; φ — потенциал заряженного тела, В.

При неоднократном касании частицей заряженного тела ее заряд

, (18.3)

здесь S_K — площадь контактной поверхности, м 2 ; N_д – число контактирований частицы с заряженным телом.

Чтобы уяснить сущность зарядки частиц путем электростатической индукции, представим себе плоский конденсатор, на нижней кладке которого находится тонкий слой частиц. Если между обкладками конденсатора приложить разность потенциалов U, то все частицы получат общий заряд q = CU= (S/d)U = SE (С — емкость конденсатора; S — площадь поверхности пластин конденсатора; d — расстояние между пластинами конденсатора). Со стороны внешнего электрического поля Е на каждую из частиц действует сила, стремящаяся оторвать частицу от пластины. При увеличении напряжения U эта сила может преодолеть силу сцепления частиц с обкладкой конденсатора. Частицы оторвутся от пластины и полетят к противоположной обкладке, но уже заряженные.

Наиболее часто в установках ЭИТ используется зарядка час­тиц путем осаждения ионов на их поверхность из-за достаточно высокой эффективности, т. е. большого значения заряда, приобре­таемого частицами. Источником ионов в этом случае может быть коронный разряд.

Дата добавления: 2014-11-13 ; просмотров: 28 ; Нарушение авторских прав

источник

Страхов занимает особое место в истории Московского университета. Окончив его, он некоторое время работал секретарем поэта М.М. Хераскова, затем стал профессором университета, а с 1805 г. был его ректором. Он организовал в университете физический кабинет. Так же как В.В. Петров в Петербурге, Страхов ввел в Москве физический практикум для студентов. Словом, начало экспериментальным работам по физике в Московском университете было положено им.

Так вот, выполняя опыты на берегу Москвы-реки, Страхов обнаружил, что, если долго пропускать электрический ток через грунт, земля вокруг положительного полюса делается сухой и прохождение тока прекращается. К сожалению, большая часть рукописей, содержащих результаты его экспериментальных и теоретических работ, погибла при пожаре Москвы в 1812 г., сам он вскоре умер, и все идеи, к которым пришел этот незаурядный ученый, так и остались неизвестными.

Эксперименты Страхова продолжил его коллега Фердинанд Фридрихович Рейсе (1778-1852), занявшийся изучением действия гальванического тока на растворы. Рейсе обнаружил, что разложение «межполюсной жидкости» на составные части под влиянием гальванического тока наблюдается всегда, каково бы ни было расстояние между полюсами. «Этот интересный результат, — писал Рейсе, — неизвестный до настоящего времени, я добыл из опытов, которые я производил на берегу Москвы-реки и на земле одного сада. Газы выделялись всегда с одинаковой скоростью на конце полюсов маленького элемента, когда они находились в наполненном водой стакане на расстоянии только одного дюйма или когда они были удалены друг от друга слоем воды в двести шагов или слоем влажной земли в десять, двадцать или больше аршин».

Механизм электролиза Рейсе объяснял тем, что «одна из двух составных частей молекулы, разлагаемой действием гальванического тока, переносится от одного полюса к другому через межполюсную жидкость». Если между полюсами поместить какое-либо постороннее тело, например землю, то она не будет препятствовать прохождению тока и разложению воды.

В 1807г. Рейсе модифицировал опыт Никольсона по разложению воды. Чтобы добиться разделения продуктов электролиза, Рейсе заполнил толченым кварцем среднюю часть U-образного электролизера-трубки. Он заметил, что приложение внешнего большого напряжения к электродам приводит к перемещению воды в трубке в сторону отрицательного полюса. При продолжительном пропускании тока устанавливалась постоянная и значительная (до 20 сантиметров) разность уровней жидкости. Перенос жидкости под действием внешнего электрического тока, наблюдавшийся в пористых телах, получил название электроосмоса.

Схема опытов Рейсса по электроосмосу и электрофорезу

Рейсе продолжал видоизменять опыты по электролизу. Он вставлял во влажную глину две стеклянные трубки, заполненные водой, в трубки погружал электроды. После включения тока наряду с электроосмосом наблюдалось еще одно новое явление — движение оторвавшихся частичек глины в противоположном направлении — к положительному полюсу. Явление перемещения частиц твердой фазы в жидкости под влиянием тока было названо электрофорезом.

Рейсе сделал сообщение в университете об открытых им явлениях. Через два года вышли его статьи, в которых были подробно описаны электроосмос и электрофорез. В этих явлениях проявлялась связь между электрическим током и относительным перемещением твердой и жидкой фазы. Понимание такой связи было, однако, неполным, так как явления, противоположные электроосмосу и электрофорезу по характеру причинно-следственной связи, то есть возникновение электрического потенциала при движении жидкости или твердых частиц, были открыты лишь спустя полвека.

Эффект, противоположный электроосмосу, обнаружил Георг Квинке (1834-1924), профессор Берлинского университета. В его опытах при протекании жидкости через пористую диафрагму появлялась разность потенциалов между двумя электродами, помещенными по разным сторонам диафрагмы. Явление получило название потенциала течения. Тогда же (а именно в 1859г.) Квинке предположил, что поверхность твердого тела заряжается одним знаком, а прилегающий слой жидкости — другим. Эта схема помогала объяснить относительное движение жидкости и частиц твердой фазы под действием тока, а также появление потенциала при протекании жидкости через пористую диафрагму. В дальнейшем эта идея привела к открытию удивительной границы на разделе фаз — двойного электрического слоя.

Схема возникновения потенциалов течения и оседания

Возникновение же разности потенциалов под действием механического движения твердых частиц в жидкости наблюдал в 1880г. немецкий физик Фридрих Дорн (1848-1916). Оно было названо эффектом Дорна, или потенциалом оседания.

В 1861г. английский исследователь Томас Грэм (1805-1869), один из основателей коллоидной химии, применил диализ для очистки коллоидных систем. Очищаемый раствор он наливал в сосуд, который был отделен от другого сосуда с чистой водой мембраной из пергамента, целлюлозы, коллодия или керамическим фильтром. В результате диффузии все растворимые низкомолекулярные компоненты удалялись через мембрану во внешний раствор. Как выяснилось, диализ существенно ускоряется благодаря наложению внешнего электрического тока. Успехи химии белков и полимеров в немалой степени связаны с применением электродиализа для выделения ионов из соответствующих растворов. Электродиализ используют для опреснения морской воды, очистки речной и озерной воды, очистки промышленных стоков, шахтной и рудничной воды, фракционирования вакцин, сывороток, для удаления солей из суспензий, паст, минералов. Двухкамерные, трехкамерные, многокамерные электродиализаторы имеют сложную конструкцию. Но схема опреснения морской воды, очистки речной воды либо технологических вод в принципе проста. Подлежащую очистке воду подают в среднюю камеру электродиализатора. В электродные пространства через мембраны поступают ионы: катионы — в катодную камеру, анионы — в анодную. Очищенная вода постепенно переливается в другую камеру, где подвергается новой очистке. Особенно эффективен электродиализ с использованием ионитовых мембран. В зависимости от знака электрического заряда на их поверхности эти мембраны пропускают преимущественно или катионы или анионы.

Через семьдесят лет, после того как Рейсе открыл электрокинетические явления, электроосмос был применен на практике для сушки торфа, а затем и для сушки древесины. С 60-х годов 20 века электроосмос используют для сушки и укрепления грунтов при постройке зданий, для борьбы с оползнями при строительстве плотин, для понижения уровня грунтовых вод, для ремонта железнодорожного полотна и осушки зданий. Не остается без дела и электрофорез, служащий для разделения сложных органических и высокомолекулярных компонентов раствора. Он находит применение, когда появляется необходимость в получении ровных и прочных покрытий на металлах, которые для этой цели погружают в качестве электродов в суспензию. Таковы, например, декоративные и антикоррозионные покрытия из лакокрасочных композиций, электроизоляционные пленки.

В земной коре через грунты и горные породы текут подземные воды, а им сопутствуют так называемые потенциалы течения, которыми пользуются геофизики для поиска полезных ископаемых, картографии подземных вод и отыскания путей просачивания воды через плотины. Потенциалы течения возникают при транспортировке жидкого топлива, при заполнении резервуаров, цистерн, нефтеналивных судов, бензобаков самолетов. Когда по трубам течет топливо, на концах трубопроводов возникают достаточно высокие разности потенциалов, из-за которых на нефтеналивных судах случались грандиозные пожары. Заземление трубопроводов и приемных резервуаров, к сожалению, не устраняет опасности, а способствует еще большему разделению обкладок двойного электрического слоя. Приходится добавлять в горючее вещества, увеличивающие токи утечки. Есть еще потенциалы оседания — причина грозовых разрядов в атмосфере.

Широко пользуются электрохимическими методами медицина. Когда кровь течет через капилляры кровеносной системы, возникают потенциалы течения, являющиеся одним из источников биопотенциалов. Установлено, к примеру, что один из пиков электрокардиограммы обусловлен возникновением потенциалов течения крови в коронарных сосудах сердца. Эти потенциалы измеряют в кардиологических клиниках и лабораториях. В медицине широко применяют электрофорез. Он используется для разделения белков, аминокислот, антибиотиков, ферментов, антител, для диагностики и контроля за ходом болезни. Распространен и ионофорез — метод введения лекарственных веществ в организм через кожу постоянным током. Известный аппарат «искусственная почка», к которому подключают больного при острой почечной недостаточности, основан на явлении электродиализа. Кровь протекает в узком зазоре между двумя мембранами, омываемыми снаружи физиологическим раствором. Благодаря большой площади мембран и наложенному электрическому полю из крови удаляются шлаки — продукты обмена и распада тканей.

источник