Электрокинетические явления. 
Химия

Смещение диффузного слоя или даже его отрыв от мицеллы или, наоборот, возникновение разности потенциалов при движении мицеллы называют электрокинетическими явлениями. Все электрокинетические явления обусловлены двойным электрическим слоем и определяются возникновением электрокинетического ^(дзета)-потенциала. Эти явления наблюдаются и в дисперсных системах, и в капиллярах и связаны с подвижностью диффузного слоя ионов. На электрокинетических явлениях основаны некоторые методы очистки воды. Наиболее важные среди них — электрофорез и электроосмос.

В плоскую чашку положим кусочек влажной глины и воткнем в него две стеклянные трубки, в которые нальем воду с добавкой небольшого количества электролита для увеличения электропроводности (рис. 8.10). В воду, но не в глину, опустим электроды и соединим их с источником постоянного тока.

Через некоторое время раствор в трубке с положительным электродом помутнеет вследствие движения частиц глины к электроду. Одновременно уровень жидкости в этой трубке понизится, а в дру;

Рис. 8.10. Электрофорез частиц глины

гой — поднимется. Этот опыт показывает, что частицы глины перемещаются в электрическом поле и имеют отрицательный заряд.

Движение дисперсных частиц относительно дисперсионной среды (жидкой и газообразной) под действием электрического поля называется электрофорезом. В водной среде частица двигается к электроду, знак заряда которого противоположен знаку ^-потенциала.

Диффузный слой ионов мицеллы непрочен, и при перемещении мицеллы происходит его частичное разделение, при этом дисперсная фаза и дисперсионная среда приобретают противоположные заряды. В электрическом поле гранула перемещается к одному полюсу, а часть противоионов диффузного слоя, оторвавшись от мицеллы, передвигается к противоположному полюсу (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Перемещение частицы в электрическом поле.

В отличие от электролиза при электрофорезе не происходит выделения дисперсного вещества, мицеллы не разрушаются, а происходит концентрирование коллоидных примесей с последующим удалением их из приэлектродной зоны. Если в электрическом поле коллоидная частица не перемещается, у нее нет заряда, она электронейтральна, что может указывать на ее изоэлектрическое состояние.

На явлении электрофореза основаны очистка воды, улавливание частиц дыма или пыли, выделение белков, аминокислот, витаминов и т. п. Так как вместе с гранулами передвигаются молекулы жидкости, составляющие сольватные оболочки, электрофорезом можно производить частичное обезвоживание различных материалов (глины, почвы, мокрого торфа).

В медицине электрофорезом через кожу или слизистые оболочки вводят лекарственные вещества. При электрофорезе частицы могут перезаряжаются и заряжаться, например, хотя частицы белка электронейтральны, в кислотной среде белок передвигается к катоду, а в основной среде — к аноду.

В лабораторных и природных условиях под действием электрофореза перемещаются не только коллоидные примеси, но и бактерии, которые чаще всего заряжены отрицательно в нейтральных и слабооснбвных средах. При изменении pH величина заряда изменяется, а в кислотных средах после перехода через изоэлектрическую точку бактерии приобретают положительный заряд.

С помощью электрофореза исследуют состав и строение ДЫК — высокополимерного природного соединения клеток живых организмов, отдельные участки которой соответствуют генам, несущим определенную генетическую информацию.

Если смесь фрагментов разной длины дезоксирибонуклеиновой кислоты в вязкой среде поместить в постоянное электрическое иоле, то начнется продвижение фрагментов к электродам. Чем короче фрагмент и чем больше его заряд, тем на большее расстояние он продвинется. Выключив через некоторое время электрический ток, обнаруживают, что смесь разделилась по нескольким зонам на различных расстояниях до электрода, причем в каждой такой зоне фрагменты имеют одинаковый состав. Чем длиннее фрагмент, тем медленнее он двигается, а одинаковые фрагменты смещаются на одно и то же расстояние. Электрофорез (гельэлектрофорез) позволяет разделить фрагменты ДНК, различающиеся всего на одно звено.

При быстром оседании дисперсных частиц из-за разделения мицеллы на гранулу и ионы диффузного слоя (рис. 8.12) возникает явление, обратное электрофорезу, — появляется разность электрических потенциалов, называемая потенциалом осаждения или потенциалом седиментации. В природе такая разность потенциалов обнаруживается между поверхностным и придонным слоями водоемов и в других случаях.

Если вместо глины в нашем опыте взять пористую диафрагму (мембрану) или перегородку из пористого фарфора или стекла, плотной или смерзшейся почвы, то через такую мембрану в электрическом поле будет проходить только жидкость без дисперсных частиц (рис. 8.13). Перемещение дисперсионной среды под действием электрического поля называют электроосмосом.

При электроосмосе противоионы диффузного слоя притягиваются к соответствующему электроду и увлекают за собой жидкость дисперсионной среды. Электроосмос проявляется также при движении жидкости дисперсной системы через капилляры или норы диафрагмы под действием электрического тока. Электроосмос на;

Рис. 8.12. Схема возникновения Рис. 8.13. Схема электроосмоса потенциала седиментации.

блюдается и в природе. Его используют для обезвоживания древесины и других материалов, а также грунта и торфа.

Рис. 8.14. Схема возникновения потенциала течения.

Если жидкость под давлением пропускать через пористую перегородку или капилляр, то по обе стороны от перегородки или на концах капилляра появится разность потенциалов, называемая потенциалом течения (рис. 8.14). Это явление обратно электроосмосу: потенциал течения возникает при перемещении дисперсионной среды под влиянием внешнего воздействия (например, при использовании насоса или при изменении давления воздуха). В природе потенциал течения является одной из причин возникновения разности потенциалов и электрических токов при прохождении дисперсных систем через грунт. Потенциал течения обнаруживается при течении крови через сосуды в организме живых организмах.

Электрокинетические явления наблюдаются только в отношении заряженных частиц. С помощью электрокинетических методов могут быть определены знак заряда коллоидной частицы, величина электрокинетического потенциала и другие параметры дисперсных систем.

Взаимосвязь между электрокинетическими явлениями может быть представлена схемой на рис. 8.15.

Рис. 8.15. Взаимосвязь между электрокинетическими явлениями.