Направление коллоидных частиц при электрофорезе

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.

а)

б)

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).

Рис. 20.2 Схема образования двойного электрического слоя вокруг частицы иодида серебра, находящейся в растворе KI.

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: 1602 ; Нарушение авторских прав? ;

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

источник

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.

Рис 32. Схема движения коллоидной частицы и противоионов при электрофорезе: 1 – потенциалопределяющие ионы, 2 – противоионы адсорбционного слоя, 3 – противоионы диффузионного слоя

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. 8985 — | 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

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

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

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

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 — это процесс направленного движения частиц, диспергированных в жидкости в постоянном электрическом поле. Частицы одного и того же вещества несут одинаковые по знаку заряды. В электрическом поле положительно заряженные частицы перемещаются к отрицательному электроду — катоду, отрицательно заряженные частицы к положительному электроду — аноду. Движение частиц к катоду иногда называют катафорезом, к аноду — анафорезом. Скорость движения зависит от массы частиц, и их заряда в данных условиях, благодаря чему электрофорез позволяет разделять смеси веществ на составляющие их компоненты.

Различают следующие виды электрофореза. 1. Свободный (фронтальный) электрофорез. В этом случае электрофорез проводят в приборах, существенной частью которых является U-образная трубка (Рис. 1). Нижнюю часть трубки заполняют испытуемым объектом, например раствором белка, на который наслаивают растворитель. В растворитель погружают электроды, соединенные с источником постоянного тока. При этом электрически заряженные частицы белка перемещаются к одному из электродов, вследствие чего граница раздела между раствором и растворителем в одном колене поднимается (восходящая граница), а в другом опускается (нисходящая граница). Приборы для свободного электрофореза, снабженные устройством автоматической регистрации перемещения каждого компонента в исследуемом объекте, применяют при анализе дисперсных систем, выделении из них отдельных компонентов, а также при клиническом исследовании сыворотки крови.

2. Электрофорез на носителях (зональный электрофорез). В качестве носителей используют бумагу, гели крахмала, агара, полиуретанов и др. В клинических лабораториях особо широкое распространение для исследования сыворотки крови получил электрофорез на бумаге, который проводится следующим образом: на полоску специального сорта бумаги, пропитанной соответствующим буферным раствором (см.), наносят капельку сыворотки крови. Концы полоски опускают в чашечки, заполненные данным буферным раствором и снабженные электродами. При пропускания постоянного электрического тока отдельные белки сыворотки перемещаются вдоль полоски с разными скоростями, а иногда и в разных направлениях. По истечении определенного времени пропускание тока прекращают, полоску бумаги подсушивают и обрабатывают реактивом на белок. При этом на бумажной электрофореграмме выявляются окрашенные пятна. По числу пятен судят о количестве белковых фракций, а по интенсивности окраски пятен — о количественном содержании каждой белковой фракции в исследуемой сыворотке.

В последнее время широкое применение в исследовательской работе и в клинической диагностике находит электрофорез в тонких слоях гелей, нанесенных на стеклянные пластинки (дисковый электрофорез), а также помещенных в стеклянные трубочки.

Электрофоретические исследования. В клинической практике применяется зональный электрофорез для исследования белкового состава жидкостей организма. Чаще используют электрофорез на бумаге как наиболее простой по технике выполнения. Электрофорез в агаровом и крахмальном гелях используется в медицинской практике преимущественно в научных исследованиях.

При помощи электрофореза на бумаге разделяют в крови фракции белков, липопротеидов, глюкопротеидов, а также белковые фракции мочи, желудочного сока, экссудатов и т. п. В крови электрофорез выявляет 5 основных фракций белка: альбумины, альфа-1 (α₁) альфа-2(α₂)-, бета(β)- и гамма(γ)-глобулины. В норме их соотношение более или менее постоянно. При некоторых заболеваниях эти соотношения меняются, что может иметь диагностическое и прогностическое значение. Так, например, при острых воспалительных процессах увеличивается содержание в крови α₂-глобулинов; в период выработки иммунитета нарастает содержание γ-глобулинов; при поражениях печени снижается содержание альбуминов и т. п. При некоторых заболеваниях (например, при миеломной болезни) в плазме крови появляются патологические белки (парапротеины), которые могут быть выявлены с помощью методов электрофореза, что имеет большое диагностическое значение.

Электрофорез — явление направленного движения ультрамикроскопических и микроскопических частиц под влиянием приложенной извне разности потенциалов, наблюдаемое в суспензиях, эмульсиях, коллоидных растворах, растворах высокомолекулярных соединений (например, белков нуклеиновых кислот, полисахаридов и др.).

Электрофорез объясняется наличием у микроскопических и ультрамикроскопических частиц электрических зарядов, которые возникают в результате избирательной адсорбции частицами ионов из окружающей их дисперсионной среды или вследствие диссоциации ионогенных групп, входящих в состав поверхности частиц. Знак электрического заряда частицы зависит как от природы самих частиц, так и от состава дисперсионной среды. Частицы одного и того же вещества могут заряжаться как положительно, так и отрицательно при изменении состава дисперсионной среды. Так, например, макромолекулы белка в растворах, рН которых меньше изоэлектрической точки данного белка (см. Амфолиты), заряжены положительно и перемещаются в электрическом поле к отрицательному полюсу — катоду, а в растворах, рН которых больше изоэлектрической точки белка, его макромолекулы заряжены отрицательно и движутся к положительному полюсу — аноду. Движение частиц к катоду иногда называют катафорезом, к аноду — анафорезом.

Для изучения электрофореза применяют несколько методов.

Наиболее точен фронтальный электрофорез, или метод подвижной границы. Приборы, применяемые для фронтального электрофореза, разнообразны по конструкции, но каждый из них включает электрофоретическую кювету — обычно U-образную трубку (рис. 1). Нижнюю часть трубки заполняют исследуемой жидкостью, например коллоидным раствором, на который наслаивают разбавленный раствор электролита с электропроводностью, равной электропроводности коллоидного раствора. В открытые колена трубки помещают неполяризующиеся электроды, соединенные с источником постоянного тока. При включении тока коллоидные частицы единым фронтом (так как частицы в данном коллоидном растворе имеют одинаковые но знаку электрические заряды) перемещаются к одному из электродов, в результате чего граница раздела между коллоидным раствором и раствором электролита в одном колене трубки поднимается (восходящая граница), а в другом колене соответственно опускается (нисходящая граница). Перемещение границы раздела легко наблюдать, если коллоидный раствор окрашен. Если коллоидный раствор бесцветен, границу раздела между ним и раствором электролита можно сделать видимой, освещая аппарат сбоку; при этом коллоидный раствор будет опалесцировать. Иногда для этой цели используют способность коллоидных растворов или растворов высокомолекулярных соединений флюоресцировать под действием ультрафиолетовых лучей.

Рис. 1. Электрофоретическая кювета (схема): 1 — исследуемая жидкость; 2 — разбавленный раствор электролита; 3 — электроды.

Скорость U электрофоретического перемещения связана с электрокинетическим потенциалом частиц (разность потенциалов, устанавливающаяся между границей скольжения частицы и дисперсионной средой) соотношением:

где D — диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды, H — падение потенциала электрического поля на единицу длины, п — 3,14, η — вязкость дисперсионной среды и к — постоянная, зависящая от формы частиц (для малых сферических частиц к— С, для цилиндрических частиц к—4). Величину U/H, т. е. скорость электрофоретического перемещения частиц, рассчитанную для падения потенциала 1 в/см, называют электрофоретической подвижностью. Эта величина, имеющая размерность см 2 в-1 сек-1, для белков (вблизи изоэлектрической точки) равна 0,4—0,8·10 -4 , для эритроцитов различных животных — 1,0—1,7·10 -4 и т. п.

Совершенная техника фронтального электрофореза сложных смесей белков и других биополимеров была разработана в 1937 г. Тизелиусом (A. Tiselius). Прибор Тизелпуса и различные его модификации, дающие возможность автоматически регистрировать передвижение границы раздела каждого компонента в смеси при помощи специальных оптических устройств и особых диаграмм — электрофореграмм (рис. 2), получили широкое распространение для исследования нормальных и патологических сывороток, установления состава белковых смесей, определения чистоты белков.

Рис. 2. Электрофореграммы по Тизелиусу: 1 — нормальная сыворотка человека; 2 — плазма крови при множественной миеломе; 3 — сыворотка крови при нефрозе.

Зональный электрофорез проводится в среде какого-либо индифферентного носителя, например в гелях агара, крахмала, желатины, а также на специальных сортах фильтровальной бумаги. Особенно широкое распространение получил электрофорез на бумаге (бумажный электрофорез) при исследовании и разделении белков, нуклеиновых кислот, стеринов, аминокислот, жирных кислот и других биологически активных веществ. Электрофорез на бумаге проводится при падении потенциала порядка 15—20 В/см и силе тока 3—5 мА. Исследуемую смесь (обычно 0,01—0,04 мл раствора в буфере) наносят в виде линии на середину полоски бумаги, концы которой погружены в электродные растворы, снабженные неполяризующимися электродами. По окончании электрофореза бумагу высушивают, в случае необходимости обрабатывают специальным реактивом, окрашивающим отдельные компоненты смеси, которые образуют несколько полос в соответствии с числом компонентов. По интенсивности окраски полос электрофореграммы можно судить об относительном количестве каждого компонента в смеси.

Микроскопический метод электрофореза состоит в определении скорости передвижения в электрическом поле видимых в микроскоп частиц — бактериальных клеток, эритроцитов, частиц суспензий и эмульсий и др. Для микроэлектрофореза применяют специальные микрокюветы, снабженные электродами.

источник

Электрофорез — раздел Химия, Предмет коллоидной химии Электрофорез – Направленное Движение Частиц Дисперсной Фазы Относитель.

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

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

На подвижность коллоидной частицы оказывают влияние электрофоретический и релаксационный эффекты.

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: 1870 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

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.

1 Электрокинетические явления

2 Практическое применение электрокинетических явлений

Список используемых источников

1. Электрокинетические явления

Наибольшее практическое применение получили электрофорез и электроосмос.

источник