Общая характеристика электрокинетических явлений

Взаимосвязь между электрокинетическими явлениями

Электрокинегические явления, как это следует из названия, — это явления, связанные с существованием электрического заряда на границе раздела фаз и движением фаз относительно друг друга. Различают электро- кинетические явления двух видов: в одних случаях взаимное смещение фаз вызывается внешним электрическим полем (электроосмос и электрофорез); в других, напротив, относительное смещение фаз приводит к возникновению разности потенциалов (потенциал течения и потенциал оседания, или седиментации).

Первым из электрокинетических явлений было описано явление электроосмоса.

Проводя опыты по электролизу воды, профессор Московского университета Ф. Ф. Рейсс в 1807 г. обнаружил, что при приложении разности потенциалов к U-образному электролизеру, нижняя часть которого заполнена перегородкой из толченого кварца (рис. 5.1), вода в колене у отрицательного электрода поднимается. Источником электричества служил вольтов столб.

Схема электроосмоса в опытах Ф. Ф. Рейсса

Рис. 5.1. Схема электроосмоса в опытах Ф. Ф. Рейсса

Исторический экскурс

Вольтов столб — первый химический источник тока — был изобретен итальянским физиком А. Вольта в 1800 г. и сразу привлек внимание исследователей во всем мире. Уже в 1801 г. вольтов столб был продемонстрирован в России на конференции Академии наук. В 1802 г. в Петербурге и Москве начались опыты с использованием вольтова столба. Исследования велись и в Московском университете, где работал Ф. Ф. Рейсс.

В опыте Рейсса при внешней разности потенциалов 100 В уровень воды в коленах трубки составил 20 см. В отсутствие кварца перемещения воды не наблюдалось, поэтому был сделан вывод о том, что вода при контакте с кварцем приобретает положительный заряд.

Электроосмос — это явление переноса дисперсионной среды через неподвижную капиллярно-пористую перегородку под действием внешнего электрического поля.

? ? Подробнее об электроосмосе см. в параграфе 5.3.

Предположив, что если вода при контакте с частицами кварца приобрела положительный заряд, то частицы могли приобрести отрицательный заряд, Рейсс поставил следующий опыт.

Он приложил напряжение к электродам в приборе, представляющем собой две вертикальные трубки с водой, опущенные в суспензию глины, частицы которой значительно мельче и легче толченого кварца (рис. 5.2). Оказалась, что вода, как и в предыдущем опыте, перемещается к отрицательному электроду, а частицы глины — к положительному (вода в трубке с положительным электродом становилась мутной от поднимающихся частиц глины, а в другой трубке оставалась прозрачной).

Схема электрофореза в опытах Ф. Ф. Рейсса

Рис. 5.2. Схема электрофореза в опытах Ф. Ф. Рейсса

Электрофорез — это явление переноса частиц дисперсной фазы под действием внешнего электрического поля.

  • ? ? Подробнее об электрофорезе см. в параграфе 5.2.
  • ? ? Количественное выражение для скорости электрофореза и электроосмоса приведено в подпараграфе 5.1.2.

При электроосмосе и электрофорезе происходит движение одной из фаз под воздействием внешнего электрического поля. Логично было бы предположить, что возможны и противоположные процессы, т.е. возникновение разности потенциалов при относительном смещении фаз.

Эффект, противоположный электроосмосу, открыл профессор Берлинского университета Георг Германн Квинке в 1859 г. Он обнаружил, что при протекании жидкости через неподвижную перегородку из глины либо песка или через пористую мембрану на расположенных по разные стороны от нес электродах (рис. 5.3) возникает разность потенциалов (?/теч). Это явление традиционно называют «потенциал течения», хотя логичнее было бы говорить «возникновение потенциала течения».

Схема возникновения потенциала течения

Рис. 5.3. Схема возникновения потенциала течения

Потенциал течения — явление возникновения разности потенциалов при движении жидкой дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы.

? ? Ко личественное выражение для потенциала течения см. в параграфе 5.4.

И наконец, в 1878 г. немецкий физик-экспериментатор Фридрих Эрнст Дорн (открывший радон) обнаружил явление, обратное электрофорезу, - возникновение разности потенциалов Uoc при оседании частиц суспензии кварца в воде (рис. 5.4).

Схема возникновения потенциала оседания

Рис. 5.4. Схема возникновения потенциала оседания

Потенциал оседания {потенциал седиментации) — явление возникновения разности потенциалов в результате движения частиц дисперсной фазы относительно неподвижной дисперсионной среды.

? ? Количественное выражение для потенциала оседания см. в параграфе 5.5.

Интерактивный компонент

Опишем причинно-следственные связи, объединяющие электрокинетические явления. Все четыре электрокинетических явления — электроосмос, электрофорез, потенциал течения и потенциал оседания — находятся между собой в причинно-следственной связи, проиллюстрированной на рис. 5.5.

Связь между электрокинетическими явлениями

Рис. 5.5. Связь между электрокинетическими явлениями

В случае электроосмоса и электрофореза фазы (твердое вещество и жидкость) смещаются друг относительно друга под воздействием приложенной разности потенциалов.

Потенциал течения и потенциал оседания возникают в результате смещения фаз.

При электроосмосе и при возникновении потенциата течения движется жидкость, а твердая фаза остается неподвижной.

При электрофорезе и возникновении потенциала оседания движутся твердые частицы, а жидкость остается неподвижной.

Резюме

Электрокинетические явления — это явления, связанные с существованием электрического заряда на границе раздела фаз и движением фаз относительно друг друга.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >