Электрофорез и электроосмос

6

Федеральное Агентство по образованию РФ

ШАХТИНСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ЮЖНО-РОССИЙСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО

ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА (НПИ)

Факультет ГЕФ

Кафедра ЭУП

Специальность 080502

РЕФЕРАТ

по Физической Химии

на тему: «Электрофорез и электроосмос»

Студент группы 3-4а

Шевченко Е.А.

Руководитель преподаватель

Молчанов С.В.

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

___________________ «__»____________ 2008 г.

___________________ ________________________

подпись подпись

Шахты 2008 г.

Аннотация

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.

Содержание

Введение

1 Электрокинетические явления

1.1 Электроосмос

1.2 Электрофорез

2 Практическое применение электрокинетических явлений

Заключение

Список используемых источников

Введение

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 х электроосмоса пропорциональна силе тока I при прочих фиксированных параметрах, а отношение х/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).

1.1. Электроосмос

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 и ее диэлектрической проницаемости м. б. решены точно, результатом решения является распределение скорости течения:

Здесь- значение электрического потенциала на расстоянии от поверхности, где скорость течения жидкости обращается в нуль (т. наз. плоскость скольжения).

Рис. 1.Распределение потенциала в двойном электрическом слое; х - расстояние от поверхности.

На больших расстояниях от поверхности Ф(х) 0 и скорость течения вне пределов диффузной части ДЭС оказывается постоянной:

Эта постоянная величина называется скоростью электроосмотического скольжения. Такое название было введено потому, что для толщин ДЭС, много меньших характерных размеров капилляров с электролитом или твердых частиц дисперсной фазы, течение выглядит как скольжение жидкости вдоль твердой поверхности со скоростью и_s.

Параметр называется дзета-потенциалом (-потенциалом), является основной характеристикой электрокинетических явлений. В реальных системах вязкость и диэлектрическая проницаемость жидкости зависят от расстояния до твердой поверхности, однако, и в этих случаях скорость электроосмотического скольжения также можно представить в виде выражения (2); но интерпретация параметра усложняется, поскольку он несет в себе информацию не только о распределении электростатического потенциала в диффузной части ДЭС, но и об особенностях структуры и реологического поведения жидкости в граничных слоях. Несмотря на сложность интерпретации-потенциала, он является одной из важнейших характеристик жидких коллоидных систем. Его значение и характер изменения при варьировании параметров электролита, адсорбции на поверхности различных веществ и т. п. позволяет судить о структуре граничных слоев, особенностях взаимодействия компонентов раствора с поверхностью, заряде поверхности и т.д. Кроме того, выражение (1) для скорости электроосмотического скольжения справедливо для капилляров произвольной геометрии при условии, что толщина ДЭС мала в сравнении с радиусом капилляра.

В капиллярнопористых телах, мембранах, горных породах, почвах и других связнодисперсных системах, характеризующихся твердым каркасом и системой открытых пор, заполненных раствором электролита, граничные слои жидкости с измененными свойствами составляют значительную долю от объемной фазы. В этих условиях электрокинетические явления тесно связаны с адсорбцией ионов, для отражения этой связи часто пользуются термином "электроповерхностные явления".

Электрокинетическое явление, обратное электроосмосу,- возникновение потенциала течения - удобно рассмотреть на примере проницаемой мембраны, разделяющей резервуары с электролитом. При наложении перепада давления и течения жидкости под действием этого перепада с расходом V появляется электрический ток через мембрану. Природа этого тока - увлечение ионов подвижной части ДЭС. Поскольку в диффузной части ДЭС имеется избыток ионов одного знака, возникает конвективный перенос заряда по порам мембраны, т. е. через мембрану течет ток. Если к резервуарам, разделенным мембраной, не подводятся электрические заряды, то по одну сторону мембраны будут накапливаться положительные заряды, а по другую - отрицательные. Накопление зарядов в резервуарах приводит к появлению разности потенциалов между ними и протеканию электрического тока I во всем объеме электролита в порах мембраны; направление тока противоположно конвективному переносу зарядов. Накопление зарядов в резервуарах и увеличение разности потенциалов между ними будет происходить до тех пор, пока не произойдет полной компенсации конвективного тока. Этому стационарному состоянию отвечает разность потенциалов ?ц_s , которая называется потенциалом течения.

Электроосмос и электрический ток через мембрану (возникновение потенциала течения) - перекрестные явления, связанные феноменологическими уравнениями в рамках термодинамики необратимых процессов. Расход V и ток I связаны с перепадом давления и электростатическим потенциалом на торцах мембраны уравнениями:

где кинетические коэффициенты L₁₁, L₁₂, L_2l и L₂₂ характеризуют соответствующие гидродинамическую проницаемость мембраны, скорость электроосмотического течения, ток течения и удельную электропроводность электролита в мембране. Кинетические коэффициенты удовлетворяют соотношению Онсагера: L₁₂ = L_2l. Уравнения (3) и соотношения Онсагера устанавливают простую связь между электроосмосом и потенциалом течения:

Отношение носит название электроосмотического переноса. Оно является одной из основных характеристик разделительных мембран. В случае тонких ДЭС это отношение м. б. легко рассчитано для мембран с произвольной геометрией пор. На основе подобия распределений электрических полей и скоростей электроосмотического течения установлено следующее соотношение:

где- удельная электрическая проводимость электролита.

1.2. Электрофорез

Направленное перемещение частиц дисперсной фазы под действием приложенной разности потенциалов называется электрофорезом.

Электрофоретическое движение частиц в электролите имеет родственную электроосмосу природу: внешнее электрическое поле увлекает ионы подвижной части ДЭС, заставляя слои жидкости, граничащие с частицами, перемещаться относительно поверхности частиц. Однако в силу массивности объема жидкости и малости взвешенных частиц эти перемещения сводятся в отсутствие внешних сил к движению частицы в покоящейся жидкости. Для непроводящих частиц с плоской поверхностью в системах с тонкой диффузной частью ДЭС скорость электрофореза совпадает со скоростью электроосмотического скольжения, взятой с обратным знаком. Для проводящих сферических частиц скорость электрофореза м. б. рассчитана по уравнению:

где- удельная электрическая проводимость частицы. В этом уравнении учитываются особенности искажения силовых линий электростатического поля в окрестности проводящей частицы. С увеличением толщины диффузной части ДЭС скорость электрофореза начинает зависеть от отношения дебаевского радиуса к диаметру частицы. В общем случае эта зависимость имеет довольно сложный характер.
Эффект Дорна связан с конвективным переносом ионов диффузной части ДЭС при движении частицы в электролите. Конвективные потоки ионов поляризуют двойной слой, и частицы в целом приобретают дипольный момент. При этом силовые линии электрического поля выходят за пределы двойного слоя. При движении в электролите ансамбля частиц с дипольными моментами, имеющими одну и ту же ориентацию, порождаемые этими моментами электрического поля складываются, и в системе возникает однородное электрическое поле, направленное параллельно (или антипараллельно) скорости движения частиц (группу движущихся с одинаковой скоростью частиц можно рассматривать как своеобразную мембрану, сквозь которую протекает электролит). Если частицы движутся в пространстве между двумя электродами, то на последних возникает разность потенциалов, которая была измерена математически. В частном случае осаждения ансамбля частиц под действием сил гравитации эта разность потенциалов называется потенциалом оседания (седиментационным потенциалом).

Электрофорез и эффект Дорна м. б. описаны парой феноменологических уравнений неравновесной термодинамики с кинетическими коэффициентами l₁₁, l₁₂, l₂₁ и l₂₂:

где v - скорость движения частицы;

F - действующая на нее сила;

Е - напряженность внешнего электрического поля;

М - индуцированный на частице дипольный момент.

Кинетические коэффициенты, определяющие скорость электрофореза и дипольный момент в эффекте Дорна, удовлетворяют соотношению Онсагера:

l₁₂ =l₂₁.

2. Практическое использование электрокинетических явлений

Электрокинетические явления широко используются в науке и технике. Наибольшее их практическое применение связано с нанесением покрытий на различные поверхности электрофоретическим методом. Данный метод позволяет получать равномерные покрытия на деталях сложной конфигурации благодаря его высокой кроющей способности. При электрофоретическом методе нанесения покрытий, как правило, одним из электродов является покрываемая деталь, а другим ёмкость, заполняемая суспензией, дисперсная фаза которой наносится на поверхность детали. В зависимости от того, каким электродом является покрываемая деталь, различают анодофорез и катодофорез. В общем случае процесс электрофоретического нанесения покрытий состоит из ряда сопряженных стадий: направленное перемещение заряженных частиц, коагуляция их в приэлектродном пространстве, электродные химические реакции. После того как на электроде сформируется покрытие, как правило, наблядается электроосмос, в результате которого жидкость выходит из покрытия и оно становится более плотным.

В нашей стране эксплуатируются автоматические линии грунтовки кузовов автомобилей электрофоретическим методом. Применение таких линий позволило резко увеличить эффективность процесса грунтовки, улучшить качество окраски, сократить расход краски. Электрофоретический метод широко применяется для покрытия катодов радиоламп, полупроводниковых деталей, нагревателей и т. д. Электрофорез используется в медицине, в биологии при выявлении биохимической и физиологической роли различных высокомолекулярных соединений. Этот метод используется также для фракционирования полимеров различной природы и минеральных дисперсий.

Электрофорез лекарственный - 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 электрофорезе повышается 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 электрофореза такие же, как при гальванизации. Для электрофореза оба 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. Электрофорез применяют 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.

Заключение

Итак, из данного реферата можно сделать следующие выводы: 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.

Также эти явления получили достаточно широкое практическое применение в медицине, строительстве, автомобилестроении и т. д. Так, например, с помощью электрофореза проводят формование различных изделий из тонких взвесей с последующим их спеканием. Метод электрофореза широко применяют для разделения, выделения и исследования биоколлоидов, особенно белков. А путём электроосмоса удаляют влагу из капиллярнопористых систем и понижают уровень грунтовых вод при возведении гидротехнических и других сооружений. Возникновение электрических полей при течении грунтовых вод нашло применение в геологической разведке полезных ископаемых и водных источников.

Список используемых источников

1. Глинка Н. Л., Общая химия, Л.,1985

2. Фролов Ю.Г., Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы, М., 1982

3. Кройт Г., Наука о коллоидах, пер. с англ., М., 1955

4. Духин С. С., Электрофорез, М.,1976