Федеральне Агентство з освіти РФ
Шахтинський ІНСТИТУТ (ФІЛІЯ)
ПІВДЕННО-РОСІЙСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО
ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ (НПІ)
Факультет ГЕФ
Кафедра ЕУП
Спеціальність 080502
РЕФЕРАТ
по Фізичної Хімії
на тему: «Електрофорез і електроосмос»
Студент групи 3-4а
Шевченко О.О.
Керівник викладач
Молчанов С.В.
До захисту Захист прийнята з оцінкою «__»__________ 2008 ________________________
___________________ «__»____________ 2008
___________________ ________________________
підпис підпис
Шахти 2008
Анотація
У даному рефераті розглядаються загальні відомості про дисперсні системи, електрокінетичні явища в них, зокрема електрофорез і електроосмос, основні поняття, формули. Також практичне застосування електрокінетичних явищ в науці і техніці.
Зміст
Введення
1 Електрокінетичні явища
1.1 Електроосмос
1.2 Електрофорез
2 Практичне застосування електрокінетичних явищ
Висновок
Список використаних джерел
Введення
Дисперсні системи. Кристали будь-якої речовини, наприклад цукру чи хлориду натрію, можна отримати різного розміру - великі й дрібні. Який би не був розмір кристалів, всі вони мають однакову для даної речовини внутрішню структуру - молекулярну або іонну кристалічну решітку.
При розчиненні у воді кристалів цукру і хлориду натрію утворюються відповідно молекулярні та іонні розчини. Таким чином, одне і те ж речовина може перебувати в різному ступені роздробленості: макроскопічно видимі частки (> 0,2 - 0,1 мм, роздільна здатність ока), мікроскопічно видимі частки (від 0,2 - 0,1 мм до 400 - 300 нм *, роздільна здатність мікроскопа при висвітленні білим світлом) і в молекулярному (чи іонному) стані. Поступово складалися уявлення про те, що світом молекул і мікроскопічно видимих частинок знаходиться область роздробленості речовини з комплексом нових властивостей, які притаманні цій формі організації речовини.
Уявімо собі кубик якого-небудь речовини, який будемо розрізати паралельно одній з його площин, потім отримані платівки почнемо нарізати на палички, а останні на кубики. У результаті такого диспергування (подрібнення) речовини виходять плівковий-, волокнисто-і корпускулярнодісперсние (роздроблені) системи. Якщо товщина плівок, поперечник волокон або частинок (корпускул) менше роздільної здатності оптичного мікроскопа, то вони не можуть бути виявлені з його допомогою. Такі невидимі в оптичний мікроскоп частинки називають колоїдними, а роздрібнене (діспергіроване) стан речовин з розміром частинок від 400 - 300 нм до 1 нм - колоїдним станом речовини.
1. Електрокінетичні явища
Електрокінетичні явищами називають переміщення однієї фази відносно іншої в електричному полі і виникнення різниці потенціалів при течії рідини через пористі матеріали (потенціал протікання) або при осіданні часток (потенціал осідання). Перенесення колоїдних частинок в електричному полі називається електрофорезом, а протягом рідини через капілярні системи під впливом різниці потенціалів - електроосмос. Обидва ці явища були відкриті професором Московського університету Ф. Ф. Рейсс в 1809 р.
Рейсс поставив два експерименти. В одному з них він використовував U-образну трубку, перегороджену в нижній частині діафрагмою з кварцового піску та заповнену водою. При накладенні електричного поля він виявив рух рідини у бік негативно зарядженого електрода. Те, що відбувається до тих пір, поки не встановлювалася певна різниця рівнів рідини (рівновагу з гідростатичним тиском). Оскільки без діафрагми рух рідини було відсутнє, то пішов висновок про заряжении рідини при контакті з частинками кварцу. Явище отримало назву електроосмосу.
В іншому експерименті Ф. Ф. Рейсс занурив в глину дві скляні трубки, заповнив їх водою і після накладення на них електричного поля спостерігав переміщення частинок глини в рідині у напрямку позитивно зарядженого електрода. Це був електрофорез. Таким чином, було виявлено, що частинки мають заряд, протилежний заряду рідини.
Перші кількісні дослідження електроосмосу були виконані Відеман (1852). Він показав, що об'ємна швидкість υ електроосмосу пропорційна силі струму I за інших фіксованих параметрах, а ставлення υ / I не залежить від площі перетину і товщини діаграми.
У 1859 р. Квінке показав, що існує явище, зворотне електроосмос, тобто при течії рідини через пористе тіло під впливом перепаду тисків виникає різниця потенціалів. Виникнення різниці потенціалів Квінке спостерігав при течії води та водних розчинів через різноманітні пористі матеріали (глина, дерево, пісок, графіт та ін.) Це явище отримало назву потенціалу течії (або протікання). Пізніше було встановлено, що потенціал течії не залежить від розміру діаграми, кількості фільтрованої рідини, але, як і при електроосмос, пропорційний об'ємної швидкості фільтрації.
Кількісне дослідження ефекту, зворотного електрофорез, вперше було виконано Дорном в 1878 р. Він вимірював виникає різниця потенціалів при седиментації частинок суспензії кварцу у відцентровому полі. Явище виникнення різниці потенціалів при осадженні дисперсної фази отримало назву потенціалу седиментації або осідання (або ефект Дорна).
Таким чином, з причинно-наслідковим ознаками електрокінетичні явища ділять на дві групи. До першої групи відносять явища, при яких відносний рух фаз викликається електричної різницею потенціалів, це електроосмос і електрофорез. До другої групи електрокінетичних явищ належать потенціал течії і потенціал седиментації, в яких виникнення електричної різниці потенціалів обумовлено відносним рухом фаз.
Найбільше практичне застосування отримали електрофорез і електроосмос.
Основну роль у виникненні електрокінетичних явищ грає подвійний електричний шар (ДЕС), що формується біля поверхні розділу фаз. Зовнішнє електричне поле, направлене вздовж кордону розділу фаз, викликає зсув одного з іонних шарів, що утворюють ДЕС, по відношенню до іншого, що призводить до відносного переміщення фаз, тобто до електроосмос або електрофорез. Аналогічним чином при відносному русі фаз, що викликається механічними силами, відбувається переміщення іонних шарів ДЕС, що призводить до просторового розділення зарядів (поляризації) в напрямку руху і до перепаду електричного потенціалу (потенціал течії, потенціал осідання).
1.1. Електроосмос
Направлене переміщення рідини в пористому тілі під дією прикладеної різниці потенціалів називається електроосмос. Розглянемо, наприклад, електроосмотичного ковзання електроліту в капілярі або порах мембрани. Приймемо для визначеності, що на поверхні адсорбовані негативні іони, які закріплені нерухомо, а позитивні іони формують дифузну частина ДЕС. Зовнішнє поле Е направлено уздовж поверхні. Електростатична сила, що діє на будь-який довільний елемент дифузної частини ДЕС, викликає рух цього елемента уздовж поверхні. Оскільки щільність заряду в дифузійної частини ДЕС Ф (х) змінюється в залежності від відстані до поверхні х (рис. 1), розкладені шари рідкого електроліту рухаються з різними швидкостями. Стаціонарний стан (незмінність в часі швидкості течії) буде досягнуто, коли чинна на довільний шар рідини електростатична сила компенсуватиме силами в'язкого опору, що виникають через відмінності швидкостей руху шарів рідини, що знаходяться на різній відстані від поверхні. Рівняння гідродинаміки, що описують рух рідини при постійних в'язкості рідини
і її діелектричної проникності 
м. б. вирішені точно, результатом рішення є розподіл швидкості течії:
Тут
- Значення електричного потенціалу на відстані 
від поверхні, де швидкість течії рідини звертається в нуль (т. зв. площину ковзання).
Рис. 1.Распределеніе потенціалу в подвійному електричному шарі; х - відстань від поверхні.
На великих відстанях від поверхні Ф (х)
0 і швидкість течії поза межами дифузійної частини ДЕС виявляється постійною:
Ця постійна величина називається швидкістю електроосмотичного ковзання. Така назва була введено тому, що для товщин ДЕС, багато менших характерних розмірів капілярів з електролітом або твердих частинок дисперсної фази, протягом виглядає як ковзання рідини уздовж твердої поверхні зі швидкістю й s.
Параметр
називається дзета-потенціалом ( 
-Потенціалом), є основною характеристикою електрокінетичних явищ. У реальних системах в'язкість і діелектрична проникність рідини залежать від відстані до твердої поверхні, проте, і в цих випадках швидкість електроосмотичного ковзання також можна представити у вигляді виразу (2); але інтерпретація параметра 
ускладнюється, оскільки він несе в собі інформацію не лише про розподіл електростатичного потенціалу в дифузійної частини ДЕС, але і про особливості структури та реологічні поведінки рідини в граничних шарах. Незважаючи на складність інтерпретації 
-Потенціалу, він є однією з найважливіших характеристик рідких колоїдних систем. Його значення і характер зміни при варіюванні параметрів електроліту, адсорбції на поверхні різних речовин і т. п. дозволяє судити про структуру граничних шарів, особливості взаємодії компонентів розчину з поверхнею, заряді поверхні і т.д. Крім того, вираз (1) для швидкості електроосмотичного ковзання справедливо для капілярів довільної геометрії за умови, що товщина ДЕС мала у порівнянні з радіусом капіляра.
У капіллярнопорістих тілах, мембранах, гірських породах, грунтах та інших связнодісперсних системах, що характеризуються твердим каркасом і системою відкритих пір, заповнених розчином електроліту, граничні шари рідини зі зміненими властивостями становлять значну частку від об'ємної фази. У цих умовах електрокінетичні явища тісно пов'язані з адсорбцією іонів, для відображення зв'язку з цим часто користуються терміном "електроповерхневих явища".
Електрокінетичні явище, зворотне електроосмос, - виникнення потенціалу течії - зручно розглянути на прикладі проникною мембрани, що розділяє резервуари з електролітом. При накладенні перепаду тиску
і течії рідини під дією цього перепаду з витратою V з'являється електричний струм через мембрану. Природа цього струму - захоплення іонів рухомої частини ДЕС. Оскільки в дифузійної частини ДЕС є надлишок іонів одного знака, виникає конвективний перенос заряду по порах мембрани, тобто через мембрану тече струм. Якщо до резервуарів, розділеним мембраною, не підводяться електричні заряди, то з одного боку мембрани будуть накопичуватися позитивні заряди, а по інший - негативні. Накопичення зарядів в резервуарах призводить до появи різниці потенціалів між ними і протіканню електричного струму I у всьому об'ємі електроліту в порах мембрани; напрямок струму протилежно конвективному переносу зарядів. Накопичення зарядів у резервуарах і збільшення різниці потенціалів між ними буде відбуватися до тих пір, поки не відбудеться повної компенсації конвективного струму. Цьому стаціонарного стану відповідає різниця потенціалів Δφ s, яка називається потенціалом течії.
Електроосмос і електричний струм через мембрану (виникнення потенціалу течії) - перехресні явища, пов'язані феноменологическими рівняннями в рамках термодинаміки незворотних процесів. Витрата V і струм I пов'язані з перепадом тиску
і електростатичним потенціалом 
на торцях мембрани рівняннями:
де кінетичні коефіцієнти L 11, L 12, L 2l і L 22 характеризують відповідні гідродинамічну проникність мембрани, швидкість електроосмотичного течії, струм течії і питому електропровідність електроліту в мембрані. Кінетичні коефіцієнти задовольняють співвідношенню Онсагером: L 12 = L 2l. Рівняння (3) і співвідношення Онсагером встановлюють простий зв'язок між електроосмос і потенціалом течії:
Ставлення
носить назву електроосмотичного переносу. Воно є однією з основних характеристик розділових мембран. У випадку тонких ДЕС це відношення м. б. легко розраховано для мембран з довільною геометрією пор. На основі подібності розподілів електричних полів і швидкостей електроосмотичного течії встановлено наступне співвідношення:
де
- Питома електрична провідність електроліту.
1.2. Електрофорез
Направлене переміщення частинок дисперсної фази під дією прикладеної різниці потенціалів називається електрофорезом.
Електрофоретичне рух частинок в електроліті має споріднену електроосмос природу: зовнішнє електричне поле захоплює іони рухомої частини ДЕС, змушуючи шари рідини, що межують з частинками, переміщатися відносно поверхні частинок. Однак у силу масивності обсягу рідини і малості зважених часток ці переміщення зводяться за відсутності зовнішніх сил до руху частки в спочиваючої рідини. Для непровідних частинок з плоскою поверхнею в системах з тонкою дифузної частиною ДЕС швидкість електрофорезу збігається зі швидкістю електроосмотичного ковзання, взятої з протилежним знаком. Для провідних сферичних частинок швидкість електрофорезу м. б. розрахована за рівнянням:
де
- Питома електрична провідність частинки. У цьому рівнянні враховуються особливості спотворення силових ліній електростатичного поля в околиці проводить частинки. Зі збільшенням товщини дифузійної частини ДЕС швидкість електрофорезу починає залежати від ставлення дебаєвсьного радіусу до діаметру частинки. У загальному випадку ця залежність має досить складний характер.
Ефект Дорна пов'язаний з конвективним переносом іонів дифузійної частини ДЕС при русі частинки в електроліті. Конвективні потоки іонів поляризують подвійний шар, і частки в цілому набувають дипольний момент. При цьому силові лінії електричного поля виходять за межі подвійного шару. При русі в електроліті ансамблю частинок з дипольними моментами, що мають одну і ту ж орієнтацію, породжувані цими моментами електричного поля складаються, і в системі виникає однорідне електричне поле, спрямоване паралельно (або антипараллельно) швидкості руху частинок (групу рухаються з однаковою швидкістю частинок можна розглядати як своєрідну мембрану, крізь яку протікає електроліт). Якщо частинки рухаються в просторі між двома електродами, то на останніх виникає різниця потенціалів, яка була виміряна математично. В окремому випадку осадження ансамблю частинок під дією сил гравітації ця різниця потенціалів називається потенціалом осідання (седиментаційним потенціалом).
Електрофорез і ефект Дорна м. б. описані парою феноменологічних рівнянь нерівноважної термодинаміки з кінетичними коефіцієнтами l 11, l 12, l 21 і l 22:
де v - швидкість руху частинки;
F - діюча на неї сила;
Е - напруженість зовнішнього електричного поля;
М - індукований на частці дипольний момент.
Кінетичні коефіцієнти, які визначають швидкість електрофорезу і дипольний момент в ефекті Дорна, задовольняють співвідношенню Онсагером:
l 12 = l 21.
2. Практичне використання електрокінетичних явищ
Електрокінетичні явища широко використовуються в науці і техніці. Найбільша їх практичне застосування пов'язано з нанесенням покриттів на різні поверхні електрофоретичних методом. Даний метод дозволяє одержувати рівномірні покриття на деталях складної конфігурації завдяки його високій здатності, що криє. При електрофоретичному методі нанесення покриттів, як правило, одним з електродів є покривається деталь, а іншим ємність, що заповнюється суспензією, дисперсна фаза якої наноситься на поверхню деталі. У залежності від того, яким електродом є покривається деталь, розрізняють анодофорез і катодофорез. У загальному випадку процес електрофоретичного нанесення покриттів складається з ряду пов'язаних стадій: спрямоване переміщення заряджених частинок, коагуляція їх в приелектродному просторі, електродні хімічні реакції. Після того як на електроді сформується покриття, як правило, наблядается електроосмос, в результаті якого рідина виходить з покриття і воно стає більш щільним.
У нашій країні експлуатуються автоматичні лінії грунтовки кузовів автомобілів електрофоретичних методом. Застосування таких ліній дозволило різко збільшити ефективність процесу грунтовки, поліпшити якість забарвлення, скоротити витрату фарби. Електрофоретичний метод широко застосовується для покриття катодів радіоламп, напівпровідникових деталей, нагрівачів і т. д. Електрофорез використовується в медицині, в біології при виявленні біохімічної і фізіологічної ролі різних високомолекулярних сполук. Цей метод використовується також для фракціонування полімерів різної природи і мінеральних дисперсій.
Електрофорез лікарський - Це один з методів фізіотерапії, який полягає в одночасному впливі на організм постійного електричного струму і введених їм (через шкіру або слизові оболонки) іонів лікарських речовин. Доведено, що при електрофорезі підвищується чутливість рецепторів до лікарських речовин, які повністю зберігають свої фармакологічні властивості. Основні особливості електрофорезу - виражене і тривале терапевтична дія малих доз лікарських речовин за рахунок створення своєрідного шкірного депо застосовуваних препаратів, а також можливість надавати місцевий вплив при деяких патологічних станах (наприклад, при місцевих судинних розладах), що утрудняють надходження препарату в патологічний осередок з крові.
При електрофорезі можливе одночасне застосування декількох лікарських речовин. У ряді випадків для електрофорезу використовують також імпульсний струм постійного напряму, що підвищує лікувальний ефект методу. Джерела струму, а також правила проведення електрофорезу такі ж, як при гальванізації. Для електрофорезу обидва електроди з прокладками, змоченими розчином лікарської речовини, розташовують на шкірі або один з них поміщають в порожнині носа, вуха, в піхві і інших; в деяких випадках замість прокладки використовують ванночку з розчином лікарської речовини, в яку опущено вугільний електрод. Електрофорез застосовують при захворюваннях центральної і периферичної нервової системи, опорно-рухового апарату, гінекологічних захворюваннях та ін
Практичне застосування електроосмосу обмежено з-за великої витрати електроенергії. Тим не менш, це явище використовується для видалення вологи при осушенні різних об'єктів (стін будівель, сипучих матеріалів, при будівництві гребель, дамб і т. д.), для просочення матеріалів різними речовинами. При електроосмотичного осушенні в об'єкт вводять електроди, що представляють собою порожні металеві труби з отворами. У замкнутої електричної ланцюга відбувається електроосмотичного перенесення рідини до певного електроду, яка збирається в ньому, і потім її відкачують наносом. Все більше значення набуває електроосмотичного фільтрація, що поєднує в собі два процеси: фільтрацію під дією прикладеного тиску і електроосмотичного перенесення рідини в електричному полі.
Висновок
Отже, з даного реферату можна зробити наступні висновки: Електрокінетичні явищами називають переміщення однієї фази відносно іншої в електричному полі і виникнення різниці потенціалів при течії рідини через пористі матеріали (потенціал протікання) або при осіданні часток (потенціал осідання). Перенесення колоїдних частинок в електричному полі називається електрофорезом, а протягом рідини через капілярні системи під впливом різниці потенціалів - електроосмос.
Також ці явища отримали досить широке практичне застосування в медицині, будівництві, автомобілебудуванні і т. д. Так, наприклад, за допомогою електрофорезу проводять формування різних виробів з тонких суспензій з подальшим їх спіканням. Метод електрофорезу широко застосовують для поділу, виділення і дослідження біоколлоідов, особливо білків. А шляхом електроосмосу видаляють вологу з капіллярнопорістих систем і знижують рівень грунтових вод при зведенні гідротехнічних та інших споруд. Виникнення електричних полів при течії грунтових вод знайшло застосування в геологічній розвідці корисних копалин і водних джерел.
Список використаних джерел
1. Глінка Н. Л., Загальна хімія, Л., 1985
2. Фролов Ю.Г., Курс колоїдної хімії. Поверхневі явища та дисперсні системи, М., 1982
3. Кройт Г., Наука про колоїдах, пров. з англ., М., 1955
4. Духін С. С., Електрофорез, М., 1976
Шахтинський ІНСТИТУТ (ФІЛІЯ)
ПІВДЕННО-РОСІЙСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО
ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ (НПІ)
Факультет ГЕФ
Кафедра ЕУП
Спеціальність 080502
РЕФЕРАТ
по Фізичної Хімії
на тему: «Електрофорез і електроосмос»
Студент групи 3-4а
Шевченко О.О.
Керівник викладач
Молчанов С.В.
До захисту Захист прийнята з оцінкою «__»__________ 2008 ________________________
___________________ «__»____________ 2008
___________________ ________________________
підпис підпис
Шахти 2008
Анотація
У даному рефераті розглядаються загальні відомості про дисперсні системи, електрокінетичні явища в них, зокрема електрофорез і електроосмос, основні поняття, формули. Також практичне застосування електрокінетичних явищ в науці і техніці.
Зміст
Введення
1 Електрокінетичні явища
1.1 Електроосмос
1.2 Електрофорез
2 Практичне застосування електрокінетичних явищ
Висновок
Список використаних джерел
Введення
Дисперсні системи. Кристали будь-якої речовини, наприклад цукру чи хлориду натрію, можна отримати різного розміру - великі й дрібні. Який би не був розмір кристалів, всі вони мають однакову для даної речовини внутрішню структуру - молекулярну або іонну кристалічну решітку.
При розчиненні у воді кристалів цукру і хлориду натрію утворюються відповідно молекулярні та іонні розчини. Таким чином, одне і те ж речовина може перебувати в різному ступені роздробленості: макроскопічно видимі частки (> 0,2 - 0,1 мм, роздільна здатність ока), мікроскопічно видимі частки (від 0,2 - 0,1 мм до 400 - 300 нм *, роздільна здатність мікроскопа при висвітленні білим світлом) і в молекулярному (чи іонному) стані. Поступово складалися уявлення про те, що світом молекул і мікроскопічно видимих частинок знаходиться область роздробленості речовини з комплексом нових властивостей, які притаманні цій формі організації речовини.
Уявімо собі кубик якого-небудь речовини, який будемо розрізати паралельно одній з його площин, потім отримані платівки почнемо нарізати на палички, а останні на кубики. У результаті такого диспергування (подрібнення) речовини виходять плівковий-, волокнисто-і корпускулярнодісперсние (роздроблені) системи. Якщо товщина плівок, поперечник волокон або частинок (корпускул) менше роздільної здатності оптичного мікроскопа, то вони не можуть бути виявлені з його допомогою. Такі невидимі в оптичний мікроскоп частинки називають колоїдними, а роздрібнене (діспергіроване) стан речовин з розміром частинок від 400 - 300 нм до 1 нм - колоїдним станом речовини.
1. Електрокінетичні явища
Електрокінетичні явищами називають переміщення однієї фази відносно іншої в електричному полі і виникнення різниці потенціалів при течії рідини через пористі матеріали (потенціал протікання) або при осіданні часток (потенціал осідання). Перенесення колоїдних частинок в електричному полі називається електрофорезом, а протягом рідини через капілярні системи під впливом різниці потенціалів - електроосмос. Обидва ці явища були відкриті професором Московського університету Ф. Ф. Рейсс в 1809 р.
Рейсс поставив два експерименти. В одному з них він використовував U-образну трубку, перегороджену в нижній частині діафрагмою з кварцового піску та заповнену водою. При накладенні електричного поля він виявив рух рідини у бік негативно зарядженого електрода. Те, що відбувається до тих пір, поки не встановлювалася певна різниця рівнів рідини (рівновагу з гідростатичним тиском). Оскільки без діафрагми рух рідини було відсутнє, то пішов висновок про заряжении рідини при контакті з частинками кварцу. Явище отримало назву електроосмосу.
В іншому експерименті Ф. Ф. Рейсс занурив в глину дві скляні трубки, заповнив їх водою і після накладення на них електричного поля спостерігав переміщення частинок глини в рідині у напрямку позитивно зарядженого електрода. Це був електрофорез. Таким чином, було виявлено, що частинки мають заряд, протилежний заряду рідини.
Перші кількісні дослідження електроосмосу були виконані Відеман (1852). Він показав, що об'ємна швидкість υ електроосмосу пропорційна силі струму I за інших фіксованих параметрах, а ставлення υ / I не залежить від площі перетину і товщини діаграми.
У 1859 р. Квінке показав, що існує явище, зворотне електроосмос, тобто при течії рідини через пористе тіло під впливом перепаду тисків виникає різниця потенціалів. Виникнення різниці потенціалів Квінке спостерігав при течії води та водних розчинів через різноманітні пористі матеріали (глина, дерево, пісок, графіт та ін.) Це явище отримало назву потенціалу течії (або протікання). Пізніше було встановлено, що потенціал течії не залежить від розміру діаграми, кількості фільтрованої рідини, але, як і при електроосмос, пропорційний об'ємної швидкості фільтрації.
Кількісне дослідження ефекту, зворотного електрофорез, вперше було виконано Дорном в 1878 р. Він вимірював виникає різниця потенціалів при седиментації частинок суспензії кварцу у відцентровому полі. Явище виникнення різниці потенціалів при осадженні дисперсної фази отримало назву потенціалу седиментації або осідання (або ефект Дорна).
Таким чином, з причинно-наслідковим ознаками електрокінетичні явища ділять на дві групи. До першої групи відносять явища, при яких відносний рух фаз викликається електричної різницею потенціалів, це електроосмос і електрофорез. До другої групи електрокінетичних явищ належать потенціал течії і потенціал седиментації, в яких виникнення електричної різниці потенціалів обумовлено відносним рухом фаз.
Найбільше практичне застосування отримали електрофорез і електроосмос.
Основну роль у виникненні електрокінетичних явищ грає подвійний електричний шар (ДЕС), що формується біля поверхні розділу фаз. Зовнішнє електричне поле, направлене вздовж кордону розділу фаз, викликає зсув одного з іонних шарів, що утворюють ДЕС, по відношенню до іншого, що призводить до відносного переміщення фаз, тобто до електроосмос або електрофорез. Аналогічним чином при відносному русі фаз, що викликається механічними силами, відбувається переміщення іонних шарів ДЕС, що призводить до просторового розділення зарядів (поляризації) в напрямку руху і до перепаду електричного потенціалу (потенціал течії, потенціал осідання).
1.1. Електроосмос
Направлене переміщення рідини в пористому тілі під дією прикладеної різниці потенціалів називається електроосмос. Розглянемо, наприклад, електроосмотичного ковзання електроліту в капілярі або порах мембрани. Приймемо для визначеності, що на поверхні адсорбовані негативні іони, які закріплені нерухомо, а позитивні іони формують дифузну частина ДЕС. Зовнішнє поле Е направлено уздовж поверхні. Електростатична сила, що діє на будь-який довільний елемент дифузної частини ДЕС, викликає рух цього елемента уздовж поверхні. Оскільки щільність заряду в дифузійної частини ДЕС Ф (х) змінюється в залежності від відстані до поверхні х (рис. 1), розкладені шари рідкого електроліту рухаються з різними швидкостями. Стаціонарний стан (незмінність в часі швидкості течії) буде досягнуто, коли чинна на довільний шар рідини електростатична сила компенсуватиме силами в'язкого опору, що виникають через відмінності швидкостей руху шарів рідини, що знаходяться на різній відстані від поверхні. Рівняння гідродинаміки, що описують рух рідини при постійних в'язкості рідини
Тут
Рис. 1.Распределеніе потенціалу в подвійному електричному шарі; х - відстань від поверхні.
На великих відстанях від поверхні Ф (х)
Ця постійна величина називається швидкістю електроосмотичного ковзання. Така назва була введено тому, що для товщин ДЕС, багато менших характерних розмірів капілярів з електролітом або твердих частинок дисперсної фази, протягом виглядає як ковзання рідини уздовж твердої поверхні зі швидкістю й s.
Параметр
У капіллярнопорістих тілах, мембранах, гірських породах, грунтах та інших связнодісперсних системах, що характеризуються твердим каркасом і системою відкритих пір, заповнених розчином електроліту, граничні шари рідини зі зміненими властивостями становлять значну частку від об'ємної фази. У цих умовах електрокінетичні явища тісно пов'язані з адсорбцією іонів, для відображення зв'язку з цим часто користуються терміном "електроповерхневих явища".
Електрокінетичні явище, зворотне електроосмос, - виникнення потенціалу течії - зручно розглянути на прикладі проникною мембрани, що розділяє резервуари з електролітом. При накладенні перепаду тиску
Електроосмос і електричний струм через мембрану (виникнення потенціалу течії) - перехресні явища, пов'язані феноменологическими рівняннями в рамках термодинаміки незворотних процесів. Витрата V і струм I пов'язані з перепадом тиску
де кінетичні коефіцієнти L 11, L 12, L 2l і L 22 характеризують відповідні гідродинамічну проникність мембрани, швидкість електроосмотичного течії, струм течії і питому електропровідність електроліту в мембрані. Кінетичні коефіцієнти задовольняють співвідношенню Онсагером: L 12 = L 2l. Рівняння (3) і співвідношення Онсагером встановлюють простий зв'язок між електроосмос і потенціалом течії:
Ставлення
де
1.2. Електрофорез
Направлене переміщення частинок дисперсної фази під дією прикладеної різниці потенціалів називається електрофорезом.
Електрофоретичне рух частинок в електроліті має споріднену електроосмос природу: зовнішнє електричне поле захоплює іони рухомої частини ДЕС, змушуючи шари рідини, що межують з частинками, переміщатися відносно поверхні частинок. Однак у силу масивності обсягу рідини і малості зважених часток ці переміщення зводяться за відсутності зовнішніх сил до руху частки в спочиваючої рідини. Для непровідних частинок з плоскою поверхнею в системах з тонкою дифузної частиною ДЕС швидкість електрофорезу збігається зі швидкістю електроосмотичного ковзання, взятої з протилежним знаком. Для провідних сферичних частинок швидкість електрофорезу м. б. розрахована за рівнянням:
де
Ефект Дорна пов'язаний з конвективним переносом іонів дифузійної частини ДЕС при русі частинки в електроліті. Конвективні потоки іонів поляризують подвійний шар, і частки в цілому набувають дипольний момент. При цьому силові лінії електричного поля виходять за межі подвійного шару. При русі в електроліті ансамблю частинок з дипольними моментами, що мають одну і ту ж орієнтацію, породжувані цими моментами електричного поля складаються, і в системі виникає однорідне електричне поле, спрямоване паралельно (або антипараллельно) швидкості руху частинок (групу рухаються з однаковою швидкістю частинок можна розглядати як своєрідну мембрану, крізь яку протікає електроліт). Якщо частинки рухаються в просторі між двома електродами, то на останніх виникає різниця потенціалів, яка була виміряна математично. В окремому випадку осадження ансамблю частинок під дією сил гравітації ця різниця потенціалів називається потенціалом осідання (седиментаційним потенціалом).
Електрофорез і ефект Дорна м. б. описані парою феноменологічних рівнянь нерівноважної термодинаміки з кінетичними коефіцієнтами l 11, l 12, l 21 і l 22:
де v - швидкість руху частинки;
F - діюча на неї сила;
Е - напруженість зовнішнього електричного поля;
М - індукований на частці дипольний момент.
Кінетичні коефіцієнти, які визначають швидкість електрофорезу і дипольний момент в ефекті Дорна, задовольняють співвідношенню Онсагером:
l 12 = l 21.
2. Практичне використання електрокінетичних явищ
Електрокінетичні явища широко використовуються в науці і техніці. Найбільша їх практичне застосування пов'язано з нанесенням покриттів на різні поверхні електрофоретичних методом. Даний метод дозволяє одержувати рівномірні покриття на деталях складної конфігурації завдяки його високій здатності, що криє. При електрофоретичному методі нанесення покриттів, як правило, одним з електродів є покривається деталь, а іншим ємність, що заповнюється суспензією, дисперсна фаза якої наноситься на поверхню деталі. У залежності від того, яким електродом є покривається деталь, розрізняють анодофорез і катодофорез. У загальному випадку процес електрофоретичного нанесення покриттів складається з ряду пов'язаних стадій: спрямоване переміщення заряджених частинок, коагуляція їх в приелектродному просторі, електродні хімічні реакції. Після того як на електроді сформується покриття, як правило, наблядается електроосмос, в результаті якого рідина виходить з покриття і воно стає більш щільним.
У нашій країні експлуатуються автоматичні лінії грунтовки кузовів автомобілів електрофоретичних методом. Застосування таких ліній дозволило різко збільшити ефективність процесу грунтовки, поліпшити якість забарвлення, скоротити витрату фарби. Електрофоретичний метод широко застосовується для покриття катодів радіоламп, напівпровідникових деталей, нагрівачів і т. д. Електрофорез використовується в медицині, в біології при виявленні біохімічної і фізіологічної ролі різних високомолекулярних сполук. Цей метод використовується також для фракціонування полімерів різної природи і мінеральних дисперсій.
Електрофорез лікарський - Це один з методів фізіотерапії, який полягає в одночасному впливі на організм постійного електричного струму і введених їм (через шкіру або слизові оболонки) іонів лікарських речовин. Доведено, що при електрофорезі підвищується чутливість рецепторів до лікарських речовин, які повністю зберігають свої фармакологічні властивості. Основні особливості електрофорезу - виражене і тривале терапевтична дія малих доз лікарських речовин за рахунок створення своєрідного шкірного депо застосовуваних препаратів, а також можливість надавати місцевий вплив при деяких патологічних станах (наприклад, при місцевих судинних розладах), що утрудняють надходження препарату в патологічний осередок з крові.
При електрофорезі можливе одночасне застосування декількох лікарських речовин. У ряді випадків для електрофорезу використовують також імпульсний струм постійного напряму, що підвищує лікувальний ефект методу. Джерела струму, а також правила проведення електрофорезу такі ж, як при гальванізації. Для електрофорезу обидва електроди з прокладками, змоченими розчином лікарської речовини, розташовують на шкірі або один з них поміщають в порожнині носа, вуха, в піхві і інших; в деяких випадках замість прокладки використовують ванночку з розчином лікарської речовини, в яку опущено вугільний електрод. Електрофорез застосовують при захворюваннях центральної і периферичної нервової системи, опорно-рухового апарату, гінекологічних захворюваннях та ін
Практичне застосування електроосмосу обмежено з-за великої витрати електроенергії. Тим не менш, це явище використовується для видалення вологи при осушенні різних об'єктів (стін будівель, сипучих матеріалів, при будівництві гребель, дамб і т. д.), для просочення матеріалів різними речовинами. При електроосмотичного осушенні в об'єкт вводять електроди, що представляють собою порожні металеві труби з отворами. У замкнутої електричної ланцюга відбувається електроосмотичного перенесення рідини до певного електроду, яка збирається в ньому, і потім її відкачують наносом. Все більше значення набуває електроосмотичного фільтрація, що поєднує в собі два процеси: фільтрацію під дією прикладеного тиску і електроосмотичного перенесення рідини в електричному полі.
Висновок
Отже, з даного реферату можна зробити наступні висновки: Електрокінетичні явищами називають переміщення однієї фази відносно іншої в електричному полі і виникнення різниці потенціалів при течії рідини через пористі матеріали (потенціал протікання) або при осіданні часток (потенціал осідання). Перенесення колоїдних частинок в електричному полі називається електрофорезом, а протягом рідини через капілярні системи під впливом різниці потенціалів - електроосмос.
Також ці явища отримали досить широке практичне застосування в медицині, будівництві, автомобілебудуванні і т. д. Так, наприклад, за допомогою електрофорезу проводять формування різних виробів з тонких суспензій з подальшим їх спіканням. Метод електрофорезу широко застосовують для поділу, виділення і дослідження біоколлоідов, особливо білків. А шляхом електроосмосу видаляють вологу з капіллярнопорістих систем і знижують рівень грунтових вод при зведенні гідротехнічних та інших споруд. Виникнення електричних полів при течії грунтових вод знайшло застосування в геологічній розвідці корисних копалин і водних джерел.
Список використаних джерел
1. Глінка Н. Л., Загальна хімія, Л., 1985
2. Фролов Ю.Г., Курс колоїдної хімії. Поверхневі явища та дисперсні системи, М., 1982
3. Кройт Г., Наука про колоїдах, пров. з англ., М., 1955
4. Духін С. С., Електрофорез, М., 1976