Электрические явления в коллоидных системах

Электротермодинамический и электрокинетический потенциалы коллоидных частиц

Поверхность коллоидных частиц обычно заряжена. Заряд может возникать за счет диссоциации собственных ионогенных групп, находящихся на поверхности частиц, например, у лиофильных либо вследствие адсорбции ионов из дисперсионной среды, как это происходит на лиофобных частицах. Во всех случаях между поверхностью частиц и окружающей дисперсионной средой возникает разность потенциалов, называемая электротермодинамическим потенциалом. Такое название дано потому, что этот потенциал характеризует термодинамическое состояние поверхности частиц. Он выражает максимальный расход свободной поверхностной энергии на образование заряда на частицах либо путем диссоциации, либо вследствие адсорбции ионов. Электротермодинамический потенциал имеет величину порядка 1 вольта. Его величина не зависит от природы присутствующих в растворе электролитов, а характеризует лишь природу поверхности коллоидных частиц.

Однако в растворе фактически проявляет себя не весь электротермодинамический потенциал, а только часть его. Дело в том, что ядро частицы движется вместе с адсорбционным слоем как единое целое в виде гранулы. Поверхность скольжения оказывается не поверхность вещества ядра, а поверхность адсорбционного слоя. Поэтому только при движении и выявляется разность потенциалов между адсорбционном слоем и окружающей дисперсионной средой, называемая ввиду этого электрокинетическим потенциалом или дзета-потенциалом. Этот потенциал меньше электротермодинамического потенциала, потому что потенциал определяющие ионы в адсорбционном слое частично нейтрализованы противоионами. Дзета-потенциал имеет величину около 0,1 вольта и зависит от концентрации и природы, присутствующих в растворе электролитов. Он является количественной мерой агрегативной устойчивости коллоидных частиц. (Привести пример мицеллы и показать на ее схеме вышеназванные потенциалы).

Электрокинетические явления в коллоидных системах

Наличие заряда на поверхности коллоидных частиц обуславливают возникновения электрических явлений в коллоидных системах. Их условно разделяются на две группы. К первой группе электрических явлении относится возникновение разности потенциалов между поверхностью частиц и окружающей дисперсионной средой вследствие их движения относительно друг друга. Это ни что иное, как уже рассмотренный выше электрокинетический потенциал различных разновидностей.

Вторая группа явлений – это возникновение механического перемещения частиц или дисперсионной фазы относительно дисперсионной среды под действием внешней разности потенциалов. К ним относятся электрофорез и электроосмос.

Эти явления впервые наблюдал русский ученый Рейсс в 1808 году в опыте с мокрой глиной, в которую поместил две стеклянные трубки, заполненные водой, а в воду погрузил два электрода.

При создании внешней разности потенциалов в катодной трубке повысился уровень раствора, а в анодной раствор помутнел. Рейсс сделал вывод, что отрицательно заряженные частицы глины перемещаются в электрическом поле к аноду. Там они нейтрализуются, укрупняются, а это в свою очередь приводило к рассеиванию световых волн, т. е. к помутнению раствора. И вот этот процесс перемещения коллоидных частиц под действием внешнего электрического поля к электроду с противоположным им зарядом был назван электрофорезом.

При электрофорезе гранулы мицелл движутся к одному электроду, а противоионы диффузного слоя в противоположную сторону к другому электроду. Гранулы на соответствующем электроде полностью нейтрализуются, объединяются и выпадают в осадок. На этом основан специальный метод определения заряда клеток ткани по заряду того электрода, к которому они перемещались.

Скорость движения коллоидных частиц при электрофорезе определяется уравнением Смолуховского:

U = εEζ/4πη [см²/в сек]

Здесь U – скорость движения или подвижность частиц, ε - диэлектрическая проницаемость среды, Е – напряженность внешнего электрического поля, ζ - электрокинетический потенциал, η - вязкость раствора.

Уравнение Смолуховского справедливо для достаточно крупных коллоидных частиц с приблизительно шарообразной формой, таких как клетки крови, вирусы и некоторые бактерии. Для небольших коллоидных частиц, соответствующих по размерам отдельным молекулам белков, высокомолекулярных соединений, скорость электрофорез сильно зависит от различий в длине и ширине. Она определяется для таких случаев уравнением Дебая и Гюккеля:

U = εEζ/Kπη

Здесь К – коэффициент, величина которого зависит от формы частиц.

Скорость электрофореза, отнесенная к единице напряженности электрического поля, называется электрофоретической подвижностью:

U/E = V = εζ/Kπη

Здесь V – электрофоретическая подвижность.

Электрофоретическую подвижность определяют экспериментально в специальных микрокамерах, наблюдая в микроскоп. Это позволяет рассчитать дзета-потенциал коллоидных частиц, что необходимо для определения числа заряженных группировок и природы их поверхности. Электрофорез широко используется в медико-биологических исследованиях для разделения аминокислот, белков, нуклеиновых кислот, форменных элементов крови с целью выделения этих веществ и диагностирования заболеваний.

В ходе электрофореза противоионы диффузионного слоя коллоидных частиц обычно вовлекают в свое движение окружающую массу растворителя вследствие их сольватации. Однако это движение растворителя не является направленным, оно приводит просто к перемешиванию раствора. Если заряд возникает и на неподвижной поверхности, то движение противоионов над ней вызывает направленное перемещение всего раствора в сторону электрода, заряд которого противоположен заряду противоионов. Поэтому наложение внешней разности потенциалов, на пористые среды, содержащие воду, такие как почва, рыхлые осадки, древесина, бетон, кирпич приводит к просасыванию водного раствора через капилляры пористой среды. По этой причине и происходило повышения уровня раствора в катодной трубке в опыте Рейсса. Явление перемещения раствора через капилляры пористой среды под действием внешнего электрического поля к электроду, заряд которого противоположен заряду противоионов по аналогии с осмосом было названо электроосмосом. Электроосмос используется для ускорения фильтрации, осушения рыхлых осадков лекарственных веществ в фармацевтической промышленности.

Дата добавления: 2013-12-12