Электроосмос это перемещение под действием внешнего электрического поля

Электрокинетические явления

К электрокинетическим явлениям относят процессы, связанные с относитель-ным движением фаз под действием электрического поля и возникновением разности потенциалов при смещении фаз. Они обусловлены взаимосвязью между электрическими и кинетическими свойствами дисперсных систем, т.е. наличием двойного электрического слоя на границе твердой и жидкой фаз.

Электрокинетические явления, которые возникают под действием внешнего электрического поля называют прямыми или явлениями I рода. К ним относят электрофорез и электроосмос. Эти явления были открыты в 1808 г. Ф.Ф.Рейсом.

Он погрузил две стеклянные трубки во влажную глину, поместил в них электроды и заполнил водой. При пропускании электри-ческого тока обнаружил движение частиц глины к положительному электроду. Это явление было названо электрофорезом. При пропускании электрического тока наблю-далось поднятие уровня воды в одном, и снижение в другом колене. После выключе-ния тока уровни выровнялись. Это явление перемещения дисперсионной среды относи-тельно неподвижной дисперсной фазы в постоянном электрическом поле было названо электроосмосом.

Позже было обнаружено возникновение разности потенциалов при пропуска-нии через пористую диафрагму жидкости под давлением. Это явление Квинке назвал потенциалом протекания.

Дорн обнаружил, что при оседании частиц под действием силы тяжести возникает разность потенциалов между уровнями разной высоты в сосуде. Это явление было названо потенциалом седиментации (или оседания).

Потенциалы протекания и оседания относят к явлениям

II рода или обратным явлениям. Потенциал протекания обратен электрофорезу, а потенциал седиментации – электроосмосу.

Электрофорез. Из всех электрокинетических явлений широкое применение нашло электрофорез. При электрофорезе происходит направленное перемещение частиц дисперсной фазы и противоионов диффузного слоя к противоположным электродам вследствие разрыва двойного электрического слоя. Скорость движения частиц (гранулы) зависит от величины дзета-потенциала. Эту зависимость выра-жают через уравнение Гельмгольца-Смолуховского: ,

где  — вязкость среды; ₀= 8,85 . 10  12 ф/м – абсолютная диэлектрическая прони-цаемость вакуума;  — относительная диэлектрическая проницаемость среды (для воды – 81);  — линейная скорость движения частиц, м 2 /с; Е – напряженность поля (градиент потенциалов), В.

Однако линейная скорость зависит от напряженности поля и поэтому для характеристики частиц вво-дится понятие «электрофорети-ческая подвижность». Она равна скорости движения частиц при градиенте потенциалов, равном одной единице (Е = 1 В): , м 2 /В . с.

Где l – расстояние между электродами, м; s – перемещение границы золя, м; V – прилагаемое напряжение, в;  — время, с.

Тогда дзета-потенциал определяется по формуле:.Для коллоидных систем, в среднем, он составляет 1,5 – 75 мВ.

Электрофорез является одним из методов изучения фракционного состава при-родных белков, характеристики биологических объектов (экзим, вирусов, формен-ных элементов крови и др.), диагностики патологий биологических жидкостей. С помощью электрофореза можно выделять из суспензий дисперсную фазу, покры-вать твердые частицы другими веществами. В фармакопеи предусмотрено уста-новление степени чистоты по электрофоретической однородности некоторых антибиотиков, витаминов. Электрофорез на бумаге, агаровом или крахмальном геле применяется как аналитический и препаративный метод разделения и выделе-ния лекарственных веществ и биологически активных соединений. В медицине электрофорез используется как метод лечения (ионофорез – метод введения лечебных препаратов в организм человека).

Электроосмос. При электроосмосе наблюдается направленное движение жид-кости через неподвижную пористую диафрагму под действием электрического поля.

Материалом мембраны может быть силикагель, глинозем, стеклянные капил-ляры, толченое стекло, кварцевый песок, нерастворимые порошки. Для наблюде-ния электроосмоса U-образный прибор заполняют водой и пропускают электри-ческий ток.

Под действием электрического тока уровни жидкости в коленах прибора меняются. Направление переноса жидкости указывает на знак -потен-циала. По скорости переноса жидкости можно определить величину дзета-потен-циала: , где — удельная электропроводность среды, I – сила тока, А;  — объемная скорость течения жидкости. Соотношение  / _I характеризует природу мембраны. Оно выражает объем жидкости, перенесенный в единицу времени на единицу количества электричества.

При пропускании электрического тока противоионы диффузного слоя перемещаются к противопо-ложно заряженным электродам. Так как ионы всегда сольватиро-ваны (гидратированы), то при движении иона с ним увлекается определенный объем дисперсион-ной среды. Чем больше толщина

диффузного слоя и меньше площадь поперечного сечения капилляра (поры мембраны), тем сильнее проявляется электроосмотический перенос жидкости.

Электроосмос применяется для обезвоживания и сушки пористых материалов, концентрирования коллоидных систем. Для этой цели используют электрофильтр-прессы. Они представляют собой две горизонтально расположенные пластины, между которыми помещают вещество, подлежащее обезвоживанию. Удаление

воды достигается наложением электрического тока между пластинами: при этом нижняя перфорированная пластина заряжается про-тивоположно заряду жидкой фазы, а верхняя – со знаком заряда водной фазы. Вследствие этого жидкость устремляется к нижнему электроду и удаляется через отверстия.

6.10. Электрокинетические явления в дисперсных системах: электрофорез, электроосмос

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.

Что такое электрофорез и электроосмос

Электрофорез — это процесс перемещения заряженных частиц в электрическом поле. Он основан на воздействии электрического поля на заряженные частицы в жидкой или газовой среде, вызывая их миграцию или движение под воздействием силы Кулона.

Электрофорез широко используется в различных областях, включая биохимию, биологию, медицину, фармацевтику и материаловедение. Он применяется для разделения и анализа биологических молекул, таких как ДНК, РНК и белки, а также для нанесения покрытий и наночастиц на поверхности материалов.

Электроосмос — это явление, при котором жидкость перемещается под воздействием электрического поля. Это происходит из-за электростатического взаимодействия между заряженными частицами в жидкости и электрическим полем. При наличии электрического поля заряженные частицы в жидкости взаимодействуют с полем и вызывают движение жидкости.

Электроосмос широко применяется в микрофлюидике и технологиях на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС), где используется для управления и перемещения жидкостей в микроскопических каналах и устройствах.

Как и электрофорез, электроосмос имеет различные применения в различных областях, включая аналитическую химию, биомедицинскую технику и микроэлектронику. Он может использоваться для подачи жидкостей, смешивания реагентов, создания потоков жидкости в микроустройствах и других применений, где требуется точное и контролируемое перемещение жидкости.

Какие материалы могут подвергаться электрофорезу?

Электрофорез может быть применен к различным материалам в зависимости от конкретных целей и требований процесса. Вот несколько типов материалов, которые могут подвергаться электрофорезу:

• Электрофорезная обработка может использоваться для нанесения защитных покрытий или создания декоративных покрытий на металлических поверхностях. Различные металлы, такие как железо, алюминий, медь и цинк, могут быть подвергнуты электрофорезу.
• Электрофорез может быть использован для покрытия полимерных материалов, таких как пластик и резина. Это позволяет улучшить их защитные свойства, внешний вид или функциональность.
• Электрофорез может применяться для создания покрытий из керамических материалов на различных поверхностях. Это может быть полезно для улучшения стойкости к износу, химической стойкости или термической изоляции.
• Электрофорез может использоваться в биологических и медицинских приложениях для разделения и анализа биологических молекул, таких как ДНК, РНК и белки. Материалы, связанные с биологическими исследованиями, могут быть обработаны с использованием электрофореза.
• Электрофорез может быть применен для создания тонких покрытий из стекла на различных поверхностях. Это может быть полезно для улучшения прозрачности, антикоррозионных свойств или оптических характеристик материалов.

Это лишь несколько примеров материалов, которые могут быть обработаны с использованием электрофореза. В зависимости от конкретной задачи и требований процесса, другие материалы также могут быть подвергнуты электрофорезу.

Как происходит разделение биологических молекул при электрофорезе?

Разделение биологических молекул при электрофорезе происходит на основе их электрической подвижности и размера. Процесс основан на применении электрического поля к геле или другому матричному материалу, который служит в качестве среды для разделения молекул.

В электрофорезе используются два электрических поля: электрическое поле, создаваемое вдоль геля, и электрическое поле, создаваемое поперек геля. Возникающие электрические силы притягивают заряженные биологические молекулы и вызывают их движение через гель.

Процесс разделения основан на двух основных факторах:

• Все заряженные молекулы в растворе имеют различную электрическую подвижность, которая зависит от их заряда и размера. Молекулы с большей электрической подвижностью будут перемещаться быстрее в направлении электрического поля.
• Гель, в котором происходит электрофорез, имеет пористую структуру, которая образует трехмерную сеть. Большие молекулы могут встречать больше сопротивления при движении через гель, поэтому они будут перемещаться медленнее по сравнению с маленькими молекулами.

В результате электрофореза, биологические молекулы разделяются по размеру и заряду. Молекулы с наибольшей электрической подвижностью и меньшим размером будут перемещаться дальше и быстрее, в то время как молекулы с меньшей подвижностью и большим размером будут перемещаться медленнее и останутся ближе к начальной точке.

Как электроосмос помогает в микрофлюидике и аналитической химии?

Электроосмос играет важную роль в области микрофлюидики и аналитической химии, предоставляя уникальные возможности для контроля и манипуляции жидкостями на микроскопическом уровне. Вот несколько способов, которыми электроосмос полезен в этих областях:

• Электроосмос позволяет перемещать жидкости через капиллярные каналы или микроканалы, применяя электрическое поле. Это особенно полезно в микрофлюидных устройствах, где небольшие объемы жидкости должны быть точно перемещены и доставлены в нужные места. Электроосмотический поток может быть управляемым и предсказуемым, что обеспечивает точное и эффективное управление жидкостью.
• Электроосмос может использоваться для эффективного смешивания реагентов в микрофлюидных системах. Применение электрического поля позволяет индуцировать конвекцию жидкости и создавать перемешивание на микроскопическом уровне. Это особенно важно для реакций, требующих точного контакта между реагентами для обеспечения быстрой и равномерной реакции.
• Электроосмос широко применяется в аналитической химии для разделения и предварительной обработки образцов. Например, в электрохроматографии электроосмотический поток может использоваться для разделения ионообменных колонок, обеспечивая эффективное разделение аналитов. Также электроосмос может быть использован для предварительной концентрации или очистки образцов перед анализом.
• Электроосмос может быть полезен для усиления детекции и анализа образцов. В некоторых методах, таких как капиллярная электрофорез и микрочиповая электрофорез, электроосмос используется для передвижения образцов к детектору, улучшая чувствительность и разрешение анализа.

Как электрофорез и электроосмос влияют на процессы синтеза и нанесения покрытий?

Электрофорез и электроосмос играют важную роль в процессах синтеза и нанесения покрытий, предоставляя уникальные возможности для контроля и манипуляции частицами или молекулами в различных материалах. Вот несколько способов, которыми эти методы влияют на процессы синтеза и нанесения покрытий:

• В электрофорезе с частицами, заряженные частицы под действием электрического поля перемещаются в направлении противоположном полю. Этот метод широко используется для синтеза наночастиц, наноструктурированных пленок и покрытий. Заряженные частицы могут быть электрохимически осаждены или приобрести заряд в растворе и электрофоретически перемещаться к подложке, создавая тонкие покрытия или пленки с желаемыми свойствами.
• В электрофорезе с полимерами, заряженные полимеры перемещаются под воздействием электрического поля. Этот метод используется для синтеза и нанесения полимерных покрытий на различные поверхности. Заряженные полимеры растворяются в специальных растворителях и наносятся на поверхность, после чего они электрофоретически мигрируют и образуют равномерное покрытие.
• Электроосмос используется для управления потоком жидкости и массопереносом в процессах нанесения покрытий. Электрическое поле применяется к материалу или субстрату, что вызывает движение жидкости и перенос растворенных веществ к поверхности. Это позволяет управлять распределением растворенных компонентов и создавать равномерные и точные покрытия.
• Электрофорез и электроосмос позволяют контролировать процессы нанесения покрытий, такие как толщина, структура и равномерность. Применение электрического поля позволяет точно манипулировать и регулировать процесс нанесения покрытий.

Каковы перспективы применения электрофореза и электроосмоса в будущих технологиях и инновационных решениях?

Применение электрофореза и электроосмоса в будущих технологиях и инновационных решениях имеет значительные перспективы. Вот несколько областей, где эти методы могут найти применение:

• Электрофорез и электроосмос играют важную роль в разработке и производстве микроэлектронных компонентов и наноматериалов. Они могут быть использованы для нанесения и организации наночастиц на поверхности микрочипов, создания наноструктурированных материалов с определенными свойствами, а также для синтеза и нанесения нанокомпозитных покрытий.
• В медицинских и биотехнологических приложениях электрофорез и электроосмос могут быть использованы для разделения и манипуляции биологическими молекулами, такими как ДНК, РНК и белки. Эти методы могут помочь в диагностике и анализе биомаркеров, разработке новых методов доставки лекарств и создании биосенсоров с повышенной чувствительностью.
• Электрофорез и электроосмос могут быть применены в области энергетики для создания эффективных энергетических устройств и систем хранения энергии. Они могут использоваться для разделения и сортировки наночастиц при производстве солнечных элементов, аккумуляторов и топливных элементов, а также для управления процессами электролиза и электрохимической синтеза.
• В области микрофлюидики и аналитической химии электрофорез и электроосмос могут использоваться для усовершенствования методов анализа и детекции, а также для разработки новых микрофлюидных устройств и лабораторий на чипе. Они позволяют достигать более высокой чувствительности, разрешения и скорости анализа, а также миниатюризировать и автоматизировать аналитические процессы.
• Электрофорез и электроосмос способны управлять потоком жидкости, разделять и концентрировать анализируемые вещества, а также обеспечивать точное и быстрое перемещение реагентов и образцов в микроканалах. Эти методы могут быть применены для анализа биологических молекул, таких как ДНК, РНК, белки, а также для определения концентрации различных веществ в образцах. Они могут использоваться для маркерировки и сортировки клеток, диагностики болезней, мониторинга окружающей среды, а также в фармацевтической и пищевой промышленности.

Как электрофорез и электроосмос взаимодействуют с другими методами и технологиями, такими как микроэлектромеханические системы (МЭМС) и «Лаборатория на чипе» (lab-on-a-chip)?

Электрофорез и электроосмос могут взаимодействовать с другими методами и технологиями, такими как микроэлектромеханические системы (МЭМС) и lab-on-a-chip, чтобы создавать более сложные и многофункциональные устройства и системы анализа. Вот некоторые способы взаимодействия:

1. Интеграция с микроэлектромеханическими системами (МЭМС): Микроэлектромеханические системы включают в себя микроэлектроды, микроканалы, микроприводы и другие компоненты, которые могут использоваться для управления электрофорезом и электроосмосом.

Например, микроэлектроды могут служить источниками электрического поля для электрофореза, а микроприводы могут управлять потоком жидкости и перемещением образцов в микроканалах. Интеграция этих компонентов позволяет создавать компактные и автоматизированные системы анализа.

2. Усиление оптических методов детекции: Электрофорез и электроосмос могут использоваться для подготовки образцов и концентрации анализируемых веществ перед оптическими методами детекции, такими как флуоресценция или поглощение света. Это позволяет улучшить чувствительность и выборочность анализа, а также обнаруживать низкоконцентрированные аналиты.

3. Комбинированное использование с наночастицами: Наночастицы могут быть функционализированы и использованы вместе с электрофорезом и электроосмосом для реализации различных функций.

Например, наночастицы могут быть использованы в качестве маркеров для обнаружения аналитов или в качестве носителей лекарственных веществ для доставки в определенные места. Электрофорез и электроосмос могут помочь управлять перемещением и манипулированием наночастиц в микроканалах или на поверхностях.

4. Развитие lab-on-a-chip технологий предоставляет возможности для интеграции электрофореза и электроосмоса с другими аналитическими методами на одном компактном чипе. Это позволяет создавать микросистемы, которые объединяют несколько этапов анализа и обработки образцов в одном устройстве.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

ЭЛЕКТРООСМОС

ЭЛЕКТРООСМОС — направленное движение растворов (природных вод) относительно твердых тел (твердого скелета г. п.), возникающее при наложении электрического поля. Потенциалы электроосмотического происхождения возникают при избирательной адсорбции частицами г. п. из растворов ионов одного знака (обычно анионов). При этом минерализованные природные воды заряжаются противоположно (обычно положительно) и под действием вводимого тока перемещаются к электроду противоположной полярности. При включении тока электроосмотическое движение вод в поровых каналах прекращается, и в связи с перераспределением давления происходит перемещение вод в обратном направлении. Последнее приводит к образованию вызванных потенциалов фильтрации, величина которых зависит от коллекторских свойств и хим. состава г. п. и состава и концентрации солей в водах. Э. используется при определении знака и величины электрокинетического потенциала.

Геологический словарь: в 2-х томах. — М.: Недра . Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др. . 1978 .

Синонимы:

• ЭЛЕКТРОНОГРАФИЯ
• ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ (ЭО)

Смотреть что такое «ЭЛЕКТРООСМОС» в других словарях:

• электроосмос — электроосмос … Орфографический словарь-справочник
• Электроосмос — Электроосмос это движение жидкости через капилляры или пористые диафрагмы при наложении внешнего электрического поля. Электроосмос одно из основных электрокинетических явлений. Явление электроосмоса впервые было открыто в Москве в… … Википедия
• электроосмос — Движение жидкости через капилляры или пористые материалы при наложении внешнего электрического поля. [РХТУ им. Д.И. Менделеева, кафедра мембранной технологии] электроосмос Движение жидкости через капилляры или через пористые диафрагмы под… … Справочник технического переводчика
• ЭЛЕКТРООСМОС — (от электро. и греч. osmos толкание давление) (электроэндоосмос), движение жидкости через капилляры или поры диафрагмы под действием внешнего электрического поля. Одно из электрокинетических явлений, на котором основана, напр., очистка воды.… … Большой Энциклопедический словарь
• Электроосмос — движение воды (влаги) в грунтах под влиянием постоянного электрического тока в сторону падения электрического потенциала … Геологические термины
• ЭЛЕКТРООСМОС — ЭЛЕКТРООСМОС, диффузия вещества, растворенного в воде либо ином растворителе, возникающая при пропускании электрического тока через суспензию, в которой расположена пористая мембрана. Это явление вызывается образованием положительных и… … Научно-технический энциклопедический словарь
• электроосмос — сущ., кол во синонимов: 1 • осмос (2) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов
• ЭЛЕКТРООСМОС — ЭЛЕКТРООСМОС, электрический перенос жидкости через пористую мембрану. Э. подобно катафорезу (см.) принадлежит к электрокинетическим явлениям, возникающим при помещении в электрическое поле гетерогенной системы. Электрокинетический потенциал (см.) … Большая медицинская энциклопедия
• электроосмос — – явление движения жидкости относительно твердой фазы через пористое твердое тело (мембрану). Общая химия : учебник / А. В. Жолнин [1] … Химические термины
• Электроосмос — (Electroosmosis) – движение влаги от одного электрода к другому при пропускании через бетонную смесь постоянного тока. [Терминологический словарь по бетону и железобетону. ФГУП «НИЦ «Строительство» НИИЖБ и м. А. А. Гвоздева, Москва, 2007 г … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов