Как величина скорости электрофореза зависит от величины потенциала

Электрокинетические явления

Влияние природы дисперсионной среды

Влияние рН среды

Введение в золь ионов Н + и ОН — может сильно сказываться на величине z-потенциала, так как эти ионы обладают высокой сорбционной способностью: первые – благодаря малому радиусу, что позволяет им близко подходить к поверхности твердой фазы, вторые – из-за большого дипольного момента (большой поляризуемости).

Дисперсионная среда обычно характеризуется двумя величинами: диэлектрической проницаемостью e и вязкостью m.

z-потенциал частиц золя тем больше, чем больше e (полярность растворителя).

Чем больше вязкость, тем толще слой дисперсионной среды, который прилипает к частице при разрыве мицеллы и, следовательно, тем меньше численное значение z-потенциала.

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

Несмотря на различие электрокинетических явлений, все они связаны с наличием ДЭС на частицах дисперсной фазы. Интенсивность всех электрокинетических явлений определяется значением z-потенциала.

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

При наложении внешнего электрического поля происходит разрыв мицеллы: частицы дисперсной фазы вместе с адсорбированными на них потенциалопределяющими ионами и противоионами адсорбционного слоя перемещаются к электроду, знак которого противоположен знаку заряда коллоидной частицы (z-потенциалу), а противоионы диффузионного слоя – к другому электроду. Например, если дисперсная фаза заряжена отрицательно, коллоидные частицы движутся к аноду (положительному электроду), а положительно заряженные противоионы диффузного слоя – к катоду (рис. 32).

Если дисперсная фаза заряжена положительно, направление движения частиц меняется на противоположное.

Скорость движения, или электрофоретическая скорость, зависит от величины электрокинетического потенциала z, напряженности электрического поля E/L и свойств сплошной среды – динамической вязкости μ и диэлектрической проницаемости e:

,

где u – электрофоретическая скорость; z – электрокинетический потенциал; e – диэлектрическая проницаемость среды; e – электрическая постоянная, e = 8,85×10 -12 Кл/(В×м); Е – разность потенциалов внешнего электрического поля; L – расстояние между электродами; E/L=H –напряженность, или градиент, внешнего электрического поля; m – динамическая вязкость сплошной среды; y – фактор формы.

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

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

.

Электрофоретическая подвижность зависит только от свойств дисперсной фазы и дисперсионной среды.

На подвижность коллоидной частицы оказывают влияние электрофоретический и релаксационный эффекты.

Электрофоретический эффект (эффект торможения): 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). Это приводит к тому, что частица перемещаются в направлении, противоположном движению жидкости, скорость ее уменьшается.

Релаксационный эффект вызывается нарушением симметрии ДЭС вокруг частицы при ее движении. ДЭС деформируется и отстает от частицы. В результате возникает добавочное электрическое поле, которое действует на частицу, стремясь двигать ее в обратном направлении, и тем самым влияет на скорость электрофореза.

Для учета влияния этих факторов в уравнение для расчета электрофоретической скорости и вводится коэффициент y.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше. 8983 — | 7233 — 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

Электрокинетический (дзета) потенциал – потенциал, возникающий на границе скольжения фаз при их относительном перемещении в электрическом поле.

Положение плоскости скольжения (линия АВ) в ДЭС не известно. Полагают, что плоскость скольжения проходит на расстоянии толщины плотной части ДЭС, и в этом случае ζ = φ_d; либо смещена в жидкую фазу, тогдаζ 2 /В·с; U – линейная скорость движения границы золь – боковая жидкость, м/с; H – напряженность электрического поля, В/м.

Электрокинетический потенциал связан с электрофоретической (электроосмотической) подвижностью, уравнением Гельмгольца – Смолуховского:

, (4.3)

где ζ – величина электрокинетического потенциала, В; η – вязкость дисперсионной среды, Н·с/м 2 ; ε – диэлектрическая проницаемость среды, для водной среды равная 81 (безразмерная величина); – электрическая константа (диэлектрическая проницаемость вакуума), равная 8,85·10 –12 Ф/м; U – линейная скорость движения границы золь-боковая жидкость, м/с; H – напряженность электрического поля, В/м.

Линейную скорость движения границы золь-боковая жидкость рассчитывают как отношение смещения границы раздела за время электрофореза:

, (4.4)

где h – смещение границы золь-боковая жидкость за время электрофореза, м; t – время электрофореза, с.

Напряженность электрического поля (градиент потенциала) рассчитывают как отношение приложенной разности потенциалов к расстоянию между электродами:

, (4.5)

где Е – приложенная разность потенциалов, В; l – расстояние между электродами, м.

Тогда уравнение Гельмгольца – Смолуховского для электрофорезазапишется:

. (4.6)

Расчет электрокинетического потенциала при электроосмосе ведут по уравнению:

, (4.7)

где – величина электрокинетического потенциала, В; – вязкость среды, Н·с/м 2 ; – диэлектрическая проницаемость среды, для водной среды равная 81 (безразмерная величина); – электрическая константа (диэлектрическая проницаемость вакуума), равная 8,85·10 –12 Ф/м;
– удельная электрическая проводимость, Ом –1 м –1 ; – объемная скорость электроосмоса, м 3 /с; I – сила тока, А.

Объемная скорость электроосмоса ( ) – скорость перемещения объема раствора V,(м 3 ) в единицу времени t, с:

. (4.8)

Потенциал течения – возникновение разности потенциалов при продавливании через пористую диафрагму жидкости под действием внешней силы (давления).

Потенциал течения не зависит от площади и толщины диафрагмы, от количества протекающей жидкости, а зависит от давления, поддерживающего течение по уравнению:

, (4.9)

где – потенциал течения, В; – величина электрокинетического потенциала, В; – вязкость среды, Н·с/м 2 ; – диэлектрическая проницаемость среды, для водной среды равная 81 (безразмерная величина); – электрическая константа (диэлектрическая проницаемость вакуума), равная 8,85·10 –12 Ф/м; – удельная электрическая проводимость, Ом –1 м –1 ; р – давление, приводящее жидкость в движение, Н/м 2 .

Пример 4.1.Вычислите величину электрокинетического потенциала для латекса полистирола, если при электрофорезе смещение цветной границы за 60 мин составляет h = 2,6 см. Напряжение, приложенное
в электродам Е = 115 В. Расстояние между электродами l = 55 см. Диэлектрическая проницаемость воды ε = 81, вязкость среды η = 1·10 –3 Н·с/м 2 .

Решение. Для расчета электрокинетического потенциала воспользуемся уравнением (4.6):

.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

источник

Электрофорез — направленное перемещение частиц дисперсной фазы под действием приложенной разности потенциалов. Это явление наблюдается в седиментационно устойчивых дисперсных системах. При наложении на такую систему внешней разности потенциалов происходит разрыв ДЭС по плоскости скольжения, в результате чего частица получает заряд и перемещается к соответствующему электроду.

Приведенные выше уравнения Гельмгольца — Смолуховского справедливы для электрофореза, в частности для электрокинетического потенциала используется уравнение (4.9). Отличие состоит только в системе координат: в одном случае рассматривается скорость жидкости, в другом — скорость движения частиц, которую обычно определяют по смещению цветной границы.

Электрофорез наблюдают в U-образном сосуде (см. лабораторный практикум). В нижнюю часть сосуда наливают золь, сверху — контактную (боковую) жидкость, имеющую одинаковую (или немного большую) с золем электрическую проводимость. Наблюдают за изменением уровня золя в обоих коленах трубки и по скорости перемещения частиц дисперсной фазы определяют линейную скорость электрофореза Wq :

где S — путь, пройденный золем за время г (время электрофореза).

При электрофорезе отношение линейной скорости к напряженности

электрического поля называют электрофоретической подвижностью:

Напряженность электрического поля Е зависит от приложенной разности потенциалов на электродах U и расстояния между ними L:

Рассмотренные уравнения справедливы при допущениях: 1) частицы движутся в однородном электрическом поле; 2) частицы могут иметь любую форму и не проводят электрический ток; 3) толщина ДЭС много меньше размеров частиц золя.

Для расчета ^-потенциала частиц, находящихся в разбавленных водных растворах при 293 К, можно использовать простое соотношение:

в котором электрофоретическая подвижность и, выражена в(тогда

^-потенциал будет иметь размерность В).

Несовпадение экспериментальных и теоретических значений объясняется релаксационным эффектом и электрофоретическим торможением.

Релаксационный эффект проявляется в нарушении симметрии диффузионного слоя вокруг частицы при относительном перемещении фаз в противоположные стороны.

Электрофоретическое торможение обусловлено сопротивлением движению частицы обратным потоком противоионов, которые увлекают за собой жидкость. В некоторых случаях несовпадение можно учесть введением поправок, иногда этим несовпадением можно пренебречь.

Скорость электрофореза зависит нс только от приложенного напряжения, но и от радиуса частиц и других факторов. Это можно учесть введением в уравнение (4.8) поправочного коэффициента к:

Поправочный коэффициент определяется экспериментально в каждом отдельном случае электрофореза.

Для примера рассмотрим данные по электрофорезу в суспензиях глин Трошковского, Никольского и Слюдянского месторождений, микрофотографии которых приведены на рис. 1.1.

Электрокинетический потенциал определяли методом подвижной границы при электрофорезе и рассчитывали по уравнению:

где S — путь;

L — расстояние между электродами;

U — разность потенциалов между электродами;

г — преимущественный радиус частицы, определяемый обычно по максимуму на кривой распределения частиц но размерам;

/(к г) — поправочная функция, учитывающая эффекты электрофоретического торможения и релаксации (табл. 4.1);

к — параметр Дебая, равный обратной величине плотной части двойного электрического слоя, то есть к = 1/6.

источник

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

Двойной электрический слой можно рассматривать в качестве своеобразного конденсатора (рис. 7.9). Относительность движения дисперсной фазы и дисперсионной среды определяется силами f₁и f₂. Сила f₁возникает в результате взаимодействия избытка зарядов потенциалобразующего слоя по отношению к адсорбционному слою; она характеризует заряд диффузного слоя и направлена параллельно границе скольжения (линия АА), противодействуя силе трения. Сила f1определяется по формуле

где Е — напряженность или градиент внешнего поля; q_B— плотность заряда поверхности.

Сила f₂определяет трение жидкости при ее перемещении:

где h — коэффициент трения; ω — скорость движения жидкости; h — расстояние между поверхностями (см. рис. 7.9).

При установившемся движении эти силы равны, т.е.

Формула (7.11) определяет скорость взаимного перемещения дисперсной фазы и дисперсионной среды. Удельный заряд q_Вможно связать с φ-потенциалом:

где ε_а— абсолютная диэлектрическая проницаемость.

Подставляя равенство (7.12) в формулу (7.11), получим

Скорость движения в расчете на единицу напряженности электрического поля называют электрофоретической подвижностью, которая определяется по формуле

С учетом формы частиц дисперсной фазы уравнения (7.13) и 7.14) принимают следующий вид:

(7.15) (7.16)

где v — скорость, м/с; v_E— электрофоретическая подвижность, м 2 /с ∙ В, Ψ — коэффициент, зависящий от формы частиц; ζ — дзета-потенциал, В; Е — напряженность или градиент внешнего электрического поля, В/м.

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

Абсолютная диэлектрическая проницаемость среды ε_а= ε ∙ ε, где ε — относительная диэлектрическая проницаемость; ε— абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, или электрическая постоянная, равная 8,85∙10 —12 K 2 /H∙м 2 (8,85∙10 —12 Ф/м).

С учетом значения абсолютной диэлектрической проницаемости формулу (7.15) можно представить в виде

или (7.17)

Согласно формуле (7.17) величины, которые определяют интенсивность электрофореза и электроосмоса, зависят от свойств среды (η, ε), формы частиц (Ψ), напряженности внешнего электрического поля (Е) и электрокинетического потенциала (ζ), определяемого структурой ДЭС.

Электрофоретическую подвижность и электрокинетический потенциал довольно просто определить экспериментально по скорости перемещения дисперсной фазы; электрофоретическая подвижность обычно не превышает 5,0∙10 —8 м 2 /с∙В, а электрокинетический потенциал — 100 мВ.

В формулах (7.15) и (7.17) не учитывается ряд особенностей дисперсных систем, например электропроводность частиц дисперсной фазы, специфические свойства дисперсной системы в случае ее нахождения в щелях, каналах и капиллярах. Тем не менее, эти формулы являются основными для количественной характеристики электрокинетических явлений.

Для расчета потенциала течения Е_ткоторый осуществляется под внешним воздействием Р₁(см. рис. 7.8), можно воспользоваться следующей формулой:

(7.18)

где ΔР = Р₁— Р₂— перепад давления при течении дисперсионной среды; χ — удельная электропроводность дисперсионной среды.

Заметим, что потенциал течения возникает на любой границе раздела фаз при перемещении дисперсной фазы или дисперсионной среды. Так, например, кровь организма человека является дисперсной системой. Сердце, как своеобразный насос, заставляет кровь двигаться по сосудам. Потенциал течения крови составляет примерно 1—2 мВ, т.е. незначителен. При движении нефти по трубопроводам потенциал течения намного выше и может привести к электрическому пробою, пожару или взрыву. По той же причине наливать бензин в полиэтиленовую емкость крайне опасно, так как при опорожнении канистры возникает потенциал течения, который может вызвать искру и воспламенить бензин.

Таким образом, электрокинетические явления и электрофоретическую подвижность можно рассматривать как следствие образования ДЭС на границе раздела фаз. Возможность и интенсивность относительного перемещения фаз определяется величиной z-потенциала, которая обусловлена структурой ДЭС.

1. Электрокинетический потенциал высокодисперсных частиц золя апельсинового сока равен 50 мВ. Определите скорость электрофореза и электрофоретическую подвижность частиц золя сферической формы, если относительная диэлектрическая проницаемость среды e равна 54,8, внешняя ЭДС — 120 В, расстояние между электродами h = 40 см, вязкость среды η= 4,5∙10—3Па ∙ с.

В соответствии с формулой (7.17) при Е = E₁/h

2. Определите электрокинетический потенциал коллоидов 20%-го раствора сахарозы при градиенте внешнего электрического поля 400 В/м, относительной диэлектрической проницаемости ε = 69,1, вязкости η = 2,5∙10—3Па ∙ с и скорости электрофореза v = 13.5 мкм/с.

3. Найдите значения потенциала течения, если через мембрану продавливается 42,4%-й раствор спирта при следующих условиях: ΔР = 20∙10 —3 Па, удельная электропроводность χ = 1,3∙ 10—3См ∙ м —1 , относительная диэлектрическая проницаемость ε = 41,3, вязкость η = 0,9∙10 —3 Па∙с, электрокинетический потенциал ζ = 6∙10 —3 В.

4. Чему равен электрокинетический потенциал при протекании 0,01 М раствора КСl через керамический фильтр под избыточным давлением (ΔР) 3,1∙10 4 Па и потенциале течения Е_т = 1,2∙10 —2 В. При 298 К вязкость раствора η = 8,94∙10 —4 Па∙с, удельная электропроводность χ = 0.141 См∙м —1 , относительная диэлектрическая проницаемость ε = 78,5.

Дата добавления: 2014-10-15 ; Просмотров: 4492 ; Нарушение авторских прав? ;

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

источник

Цель работы —по измеренной скорости электрофореза рассчитать величину – потенциала.

Теоретический материал

Электрофорез — перемещение частиц дисперсной фазы относительно неподвижной дисперсной среды к одному из электродов под действием электрического поля.

Золь туши, с которым выполняется данная работа, имеет мицеллярное строение, т. е. твёрдые частицы дисперсной фазы окружены двойным ионным слоем (рисунок 11.1).

На частице адсорбируются ионы, образующие с ионами твёрдой фазы труднорастворимые соединения или изоморфные кристаллы, в итоге –частицы дисперсной фазы приобретают одноимённые заряды. Для нейтрализации этого заряда из раствора подходят ионы противоположного знака – противоионы, часть их находится в непосредственной близости от поверхности –

ассоциированные ионы, которые вместе с адсорбированными ионами образуют плоский слой. Другая часть противоионов находится на значительном удалении от поверхности и образует диффузный слой. Ассоциированные противоионы жёстко связаны с поверхностью, а противоины диффузного слоя являются подвижными. Мицелла (частица вместе с плоским диффузным слоем) является электронейтральной.

На рисунке 11.2 приведено изменение потенциала в двойном ионном слое с удалением от поверхности частицы.

Потенциал на поверхности частицы называется термодинамическим потенциалом. Практически он представляет собой сумму зарядов всех адсорбированных на частице ионов (в нашем случае катионов). На расстоянии, равном толщине двойного ионного слоя ( — радиус ионной атмосферы), электрическое поле поверхности практически компенсировано противоионами и потенциал стремится к нулю.

Потенциал на поверхности скольжения, т. е. на границе между плоским и диффузным слоями, называется электрокинетическим потенциалом (или — потенциалом, дзета-потенциал). Иначе, -потенциал – это часть общего потенциала, приходящаяся на диффузный слой (по абсолютной величине — потенциал равен сумме зарядов всех ионов диффузного слоя).

Электрическое поле вызывает деформацию мицеллы (рисунок 11.3). Пока электрическое поле не действует, центры положительных и отрицательных зарядов двойного ионного слоя в мицелле практически совпадают (рисунок 11.3а). При достаточной напряжённости электрического поля диффузные ионы отрываются и двигаются (в нашем случае) к аноду. Частица при этом приобретает положительный заряд и двигается к катоду. Естественно, что скорость перемещения частицы будет прямопропорциональна её заряду, который, в свою очередь, определяется количеством оторвавшихся от мицеллы противоионов, т. е. – потенциалом.

Измерив линейную скорость движения частиц и зная параметры электрического поля, можно вычислить электрокинетический потенциал по формуле:

(вольт) , (1)

где –вязкость (для водных золей h =0,01); – линейная скорость движения (см/сек); – диэлектрическая проницаемость (для воды ε = 81) ; E – напряжённость электрического поля.

Рисунок 11.3 — Деформация мицеллы в электрическом поле:

а) мицелла до действия электрического поля; б) мицелла в электрическом поле

Практическая часть

Для измерения скорости электрофореза служит прибор (рисунок11.4).

Подготовка установки к работе

Установка включает в себя электролизер, состоящий из корпуса 2, внутренней трубки 3 и электродов 1 и 6, и систему подачи туши, включающей капиллярную трубку 7, резервуар для туши 8 с запасом туши 9, ресивер 15 и напорную емкость 11 с запасом воды 12, снабженную краником 13 и системой соединительных трубок 14.

Внутренний диаметр трубки корпуса 2 и размеры трубки 3 подобраны таким образом, чтобы площадь поперечного сечения просвета трубки 3 была равна площади поперечного сечения кольцевого пространства между внешним диаметром трубки 3 и внутренним диаметром корпуса 2. Это обеспечивает одинаковую скорость перемешивания туши при электрофорезе в трубке 3 и в кольце между трубкой и корпусом.

Перед работой электролизер должен быть чистым и сухим. В исходном состоянии резервуар 8 заполнен тушью, а емкость 11 – водой. Кран 13 – закрыт. Емкость корпуса 2 заполнена электролитом до касания с электродами 1 и 6. Капилляр опустите до касания им дна корпуса 2. Откройте кран 13. Запас воды 12 при этом поступает в ресивер 15 и повышает давление воздуха в нем. Давление передается через трубку 14 в резервуар 8. Тушь под давлением начинает поступать с небольшой скоростью в донную часть корпуса 2. Дайте уровню туши подняться выше нижнего среза трубки 3 на 10-20 мм, затем кран 13 закройте. Отметьте положение уровня туши 5 по линейке 10. Подключите электроды 1 и 6 к источнику постоянного тока напряжением 100 В. Наблюдайте за изменением уровня туши в трубке 3 и корпусе 2.

С помощью линейки 10 рассчитайте длину жидкого проводника между электродами 1 и 6. Включите выпрямитель и проведите электролиз в течение 20 мин. Через 20 мин снова измерьте высоту уровня туши в трубке 3 и корпусе 2. Рассчитайте разность высоты золя до опыта и после в трубке 3 ( ) и в корпусе 2 ( ). Тогда за путь, пройденный дисперсной фазой за 20 минут можно считать величину – S:

. (2)

Напряжённость электрического поля – E:

, (3)

где U – разность потенциалов (100 вольт); L – расстояние между электродами – длина жидкого проводника.

Линейная скорость движения границы раздела золь – дисперсная среда – u.

, (4)

где S – путь, пройденный дисперсной фазой из формулы (2) в см; –время опыта в секундах.

Затем по формуле 1 рассчитайте –потенциал.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое электрофорез? В каких областях находит применение электрофорез?

2. Чем отличаются противоионы плоского слоя от противоионов диффузного слоя?

3. Что такое –потенциал?

4. Как толщина диффузного слоя влияет –потенциал?

5. Как и почему величина дзета – потенциала влияет на скорость электрофореза?

6. Каким образом, меняя pH дисперсной среды, можно с помощью электрофореза делить белки?

7. Рассчитать электрокинетический потенциал частиц гидрозоля Fe₂O₃ по данным электрофореза: U = 170 В; расстояние между электродами 0,25 м; смещение границы к катоду составило 25 мм за 20 мин; Т = 298 К; вязкость среды 9∙10 -3 Па∙с; ε = 81.

Лабораторная работа №12

Дата добавления: 2018-04-05 ; просмотров: 284 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

источник

Причина возникновения электрокинетических явлений лежит в существовании двойного слоя и нарушении его электронейтральности в электрическом поле. Если поместить в U-образную трубку мелкий кварцевый песок, краситель, пигмент или волокно, налить раствор и, погрузив электроды, пропускать электрический ток, то уровень воды у одного из электродов, преимущественно отрицательного полюса, повышается. Это явление одностороннего перемещения воды под влиянием электрического тока, названное электроосмосом, можно объяснить, если рассмотреть процессы, происходящие в одном из мельчайших капилляров, пронизывающих образующуюся мембрану. На границе твердой фазы с водой за счет диссоциации поверхностных ионогенных групп возникает двойной слой, внутренняя обкладка которого образована отрицательно заряженными группами -SiO₂ 2 — у кварца, -СОО — — у волокна. Наружный слой, как правило, состоит из ионов Na + . Непрочно связанные с поверхностью ионы диффузной части двойного слоя под влиянием внешнего электрического поля оторвутся и будут перемещаться к отрицательному электроду. Направленное движение этих ионов вызовет за счет трения движение жидкости, заполняющей капилляр. В результате такого явления, проявляющегося во всех многочисленных капиллярах диафрагмы, наблюдается одностороннее перемещение жидкости к одному из электродов.

Перемещение частиц дисперсной фазы в электрическом поле к одному из электродов, называемое электрофорезом, также является следствием нарушения электронейтральности двойного слоя. Без действия внешнего электрического поля двойной слой электронейтрален. При наложении разности потенциалов происходит разрыв двойного слоя по плоскости скольжения и частицы перемещаются тем быстрее, чем выше градиент потенциала. Частица, лишенная диффузной ионной оболочки, приобретает отрицательный заряд и будет перемещаться к положительному электроду. Измеренный по скорости перемещения частиц электрокинетический потенциал следует исправлять, учитывая сопротивление электроосмотического перемещения дисперсионной среды.

При определении электрокинетического потенциала методом электоосмоса делаются следующие предпосылки в соответствии с теорией Гельмгольца строения двойного ионного слоя.

1. Двойной ионный слой представляют в виде плоского параллельного конденсатора, внутренняя обкладка которого представлена зарядами поверхности твердого тела, внешняя — зарядами, локализованными в жидкости. Толщина этого слоя (конденсатора) такова, что включает в себя лишь несколько молекулярных слоев и меньше радиуса капилляра.

2. Слой жидкости, непосредственно прилегающий к твердой поверхности, при электрокинетических явлениях остается неподвижным, тогда как все последующие слои перемещаются. Течение жидкости происходит в ламинарном режиме и описывается обычными уравнениями гидродинамики.

3. Стенка капилляра не проводит электрический ток и слой потенциалопределяющих ионов локализован, т.е. не может перемещаться по поверхности.

4. Внешняя разность потенциалов суммируется как аддитивная величина с перепадом потенциала в двойном слое. Это означает, что внешнее поле не деформирует двойного слоя, не нарушает его равновесия, хотя и обеспечивает непрерывное перемещение заряженного слоя жидкости вдоль поверхности.

Поскольку эта предпосылка предполагает постоянное восстановление равновесия в двойном слое в процессе электроосмоса, такая система может рассматриваться как конденсатор, пластины которого, находящиеся на расстоянии d, заряжены с поверхностной плотностью r. Данным значениям d и r соответствует разность потенциала между пластинами z. Поскольку толщина двойного слоя мала, то кривизной капилляра пренебрегают (считая, что слой плоский) и разрыв его в электрическом поле с градиентом потенциала Н= Е/l происходит по плоскости на расстоянии d от поверхности.

В таком случае напряжение сдвига в расчете на единицу площади поверхности, заставляющее жидкость двигаться,

. (1.4.11)

Это напряжение будет уравновешиваться сопротивлением ламинарного потока, т.е. силой трения

, (1.4.12)

где h -вязкость жидкости, U- скорость перемещения жидкости в капилляре, U/d — градиент скорости в направлении, перпендикулярном к твердой поверхности.

При стационарном режиме течения , т.е.

. (1.4.13)

Учитывая, что для плоского конденсатора

, (1.4.14)

получаем для скорости течения

. (1.4.15)

Количество жидкости, переносимое через капилляр, т.е. объемная скорость течения,

. (1.4.16)

. (1.4.17)

Естественно, что на практике не используют для измерений один капилляр, а изготавливают из непроводящего электрический ток материала мембрану толщиной l со множеством капилляров общим сечением . Это сечение определяют по электрическому сопротивлению диафрагмы R, капилляры которой заполнены раствором с электропроводимостью k :

. (1.1.18)

В соответствии c законом Ома , где — разность потенциалов, приложенных к обеим сторонам мембраны, а I– сила тока.

. (1.4.19)

Заменяя в (1.4.16) на и используя (1.4.19), получаем

(1.4.20)

При использовании для расчетов формулы (1.4.20) следует учитывать, что величины h, kи e двойного слоя могут отличаться от величин, характерных для большого объема жидкости. С этой целью иногда вводится поправка на поверхностную проводимость k_s, использовать которую предложил еще Смолуховский для учета конвективного потока ионов вдоль стенки капилляра, что возможно, выразив общую проводимость k узкого капилляра формулой

, (1.4.21)

где s- периметр; o- сечение капилляра; .

Из уравнения (1.4.21) видно, что разность уменьшается с увеличением радиуса капилляра и , т.е. при определенных условиях электропроводность в пределах двойного слоя стремится к величине ее в объеме раствора.

Формула (1.4.20) применима при любом расположении капилляров в мембране, так как и электрический ток, и электроосмотический поток движутся параллельно стенкам капилляра.

Электроосмос не связан со структурой межфазной поверхности, но зависит от таких характеристик двойного слоя, как k_s, e, d, r. Приведенные выше уравнения могут быть использованы и для расчета электрокинетического потенциала по скорости электрофореза. Механизм этого явления подобен механизму электроосмоса, но в данном случае неподвижной остается дисперсионная среда, а перемещаются частицы. Электрофоретическую скорость перемещения (подвижность) частиц U_ef можно рассчитать, как U/H. Эта величина характеризует подвижность коллоидной частицы при электрофорезе. В принципе, она аналогична подвижности ионов в электрическом поле, поэтому

. (1.4.22)

Эта формула не учитывает влияния ионной атмосферы на электрофоретическую подвижность и формы частиц. Более правильно следует записать ее, как предложил Генри (1931 г.),

(1.4.23)

где f- сила электрофоретического торможения, которая зависит от радиуса частиц и радиуса ионной атмосферы (фактора Дебая) k. Для цилиндрических частиц, ось которых ориентирована по направлению электрического поля, f = 1/4. Если ось перпендикулярна к полю, f = 1/8. Для сферических частиц f = 1/6 и стремится к 1/4 при больших значениях kr. Все это справедливо для частиц, не проводящих электрический ток. Кроме того, при утолщении двойного ионного слоя становится некорректным рассмотрение гидродинамических и электрических явлений порознь внутри и вне двойного слоя, как это делал Смолуховский. Потенциал течения способен возникать в том случае, если при воздействии силового механического поля течение жидкости увлекает ионы диффузионной обкладки двойного слоя, так что вдоль стенки капилляра возникает стационарный поток ионов. Если вдоль капилляра существует градиент давления dP/dl, где l – длина капилляра, то возникает течение, которое в соответствии с законом Пуазейля при x 2 слоя, движущихся на расстоянии d со скоростью U_d.:

. (1.4.26)

Перенос электрического заряда вызывает разность потенциалов E=Hl на концах капилляра, которая, в свою очередь, вызывает протекание нарастающего тока проводимости через раствор с сопротивлением R. Когда ток проводимости становится равным конвективному потоку, разность потенциалов приобретает постоянное стационарное значение, равное потенциалу течения DV_st. Согласно закону Ома

при . (1.4.27)

Приравнивая (1.4.26) и (1.4.27) и подставляя (1.4.25), получаем

. (1.4.28)

В этом выражении для поверхностной плотности заряда использовалось выражение (1.4.14). Формула (1.4.28) справедлива и для случая пористой перегородки с капиллярами произвольной формы. Если сопоставить результаты измерения потенциала течения и электроосмотической скорости для одной и той же системы, то получим

. (1.4.29)

Седиментационный поток частиц относительно неподвижной жидкости возбуждает конвективный поток ионов диффузионного двойного слоя. Поле, которое при этом возникает, препятствует этому перемещению. Поэтому, по аналогии с приведенным выше потенциалом течения, получим уравнение для расчета потенциала седиментации E_sed. Скорость седиментации сферических частиц в соответствии с законом Стокса

, (1.4.30)

где r — радиус частиц; r₂, r₁— плотность дисперсной фазы и дисперсионной среды; g- ускорение силы тяжести.

Если обозначить через q заряд одной частицы при седиментации и n- число частиц в единице объема, например 1 м 3 , то плотность конвективного потока (сила тока, проходящего через сечение площадью 1 м 2 ) будет равна

. (1.4.31)

При стационарном режиме эта плотность равна плотности встречного тока проводимости ; здесь — стационарная разность потенциалов между электродами, находящимися на расстоянии l друг от друга. Связь заряда сферической частицы q и z-потенциала можно записать, исходя из равенства между электрической силой qE, действующей при электрофорезе, и силой трения , возникающей при движении частиц со скоростью . Таким образом получаем

. (1.4.32)

Из условия стационарности I_c=I_s , заменяя их на соответствующие величины из (1.4.31) и (1.4.32) и полагая, что , получаем

. (1.4.33)

Уравнение (1.4.33) справедливо для седиментации твердых частиц. При обратной седиментации при расчете потенциала для эффекта Дорна всплывающих газовых пузырьков или капелек жидкости необходимо учитывать сопутствующий электрокинетическим явлениям эффект диффузии ионов. При движении твердых частиц в растворе электролита возникает разность концентраций между полюсами по направлению движения частиц и проявляется диффузионный потенциал. Только при равенстве коэффициентов диффузии катионов и анионов в классические уравнения не вводятся поправки. Во всех остальных случаях уравнения должны быть откорректированы.

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

Направленное перемещение частиц дисперсной фазы под действием электрического поля может наблюдаться в седиментационно-устойчивых дисперсных системах. При этом происходит разрыв ДЭС по плоскости скольжения, в результате частица приобретает определенный заряд и движется к соответствующему электроду.

При электрофорезе можно измерить скорость движения частиц.

Рис. 18. Схема движения коллоидных частиц в электрическом поле.

Линейная скорость (U) – движение частиц относительно мембраны при электроосмосе и движение частиц при электрофорезе:

, — уравнение Гельмгольца-Смолуховского

где — вязкость. Единицы измерения линейной скорости [м/с].

При движении частиц дисперсной фазы они вынуждены взаимодействовать с противоионами дисперсионной среды, что вызывает электрофоретическое торможение, что уменьшает линейную скорость при электрофорезе.

Электрофоретическое торможение является функцией размера частиц и толщины диффузного слоя.

— без учета электрофоретического торможения

— с учетом электрофоретического торможения,

где f — параметр Дебая, α – диаметр частицы. Единицы измерения электрофоретического торможения .

Характеристикой электрофореза является также электрофоретическая подвижность, которая характеризует электрофоретические свойства системы без учета влияния внешнего электрического поля и служит для сравнения способности к электрофорезу различных коллоидных систем.

При исследовании явления электроосмоса для практического применения при расчете электрокинетического потенциала удобнее использовать уравнение, в которое входят величины, измеряемые экспериментально. Выразим линейную скорость через объёмную:

,

где r – радиус капилляра, l – длина капилляра, I – сила тока, ρ – удельное сопротивление, χ_v – удельная электрическая проницаемость жидкости, R – сопротивление.

Пи расчете электрокинетического потенциала и при выборе оптимального режима ряда технологических процессов (проведение электродиализа, определении пористости грунтов т.д.) необходимо учитывать поверхностную проводимость χ_s – это явление сводится к тому, что находящиеся около межфазной границы ионы изменяют состав среды, они являются причиной передвижения жидкости или частиц. Изменение состава среды ведёт к изменению электропроводности раствора у межфазной границы.

Поверхностная проводимость χ_s учитывается путём введения коэффициента эффективности диафрагмы α:

Путём электроосмоса удаляют влагу из капиллярнопористых систем и понижают уровень грунтовых вод при возведении гидротехнических сооружений.

Метод электрофореза применяют для формирования изделий из тонких взвей последующим спеканием для разделения, выделения и исследования биоколлоидов, особенно белков.

Возникновение электрических полей при течении грунтовых вод помогает в геологической разведке полезных ископаемых и водных источников.

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