В 1808 году профессор Московского университета Ф. Ф. Рейсе, изучая процесс электролиза воды, попытался разделить продукты электролиза. С этой целью он заполнил среднюю часть U – образной трубки электролизера толченым кварцем (т. е. создал капиллярно-пористую перегородку) и подал на электроды постоянное внешнее напряжение (рис. 8.1). Он обнаружил, что вода перемещается в сторону отрицательного электрода. При разности потенциалов на электродах, равной 100 В, разность уровней воды в коленах трубки составляла примерно 20 см. Это явление получило название электроосмоса. Поскольку в отсутствие капиллярно-пористой перегородки движения воды не наблюдалось, последовал вывод, 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.
Следовательно, электроосмос является процессом несамопроизвольным, на его осуществление затрачивается электрическая работа.
|
|
Рис.8.1. Схема электроосмоса
Далее Рейсе поставил следующий опыт. Он погрузил во влажную глину две стеклянные трубки, заполнил их водой, в трубки ввел электроды и подал на них постоянное напряжение. Он обнаружил, что вода перемещается к отрицательному электроду (как в предыдущем опыте), и одновременно частицы глины перемещаются к положительному электроду (вода в трубке с положительным электродом мутнела, в то время как в другой трубке оставалась прозрачной). Это явление получило название электрофореза.
Электрофорез – это явление переноса частиц дисперсной фазы под действием внешнего электрического поля.
Роль капиллярно – пористой перегородки играла влажная глина. Схема электрофореза представлена на рис. 8.2. Таким образом, при наличии неподвижной капиллярно – пористой перегородки под действием постоянного электрического поля передвигается дисперсионная среда (электроосмос) и дисперсная фаза (электрофорез).
Рис.8.2. Схема электрофореза
Было естественным предположить возможность осуществления противоположных процессов, т.е. получить разность потенциалов на капиллярно-пористой перегородке при движении через нее дисперсионной среды или частиц дисперсной фазы.
В 1859 году Квинке обнаружил явление, противоположное электроосмосу, названное потенциалом течения. Потенциал течения – это явление возникновения разности потенциалов на электродах, расположенных по обеим сторонам неподвижной капиллярно – пористой перегородки при продавливании через нее жидкости.
Квинке наблюдал возникновение разности потенциалов при течении воды и водных растворов через разнообразные пористые материалы (глина, дерево, песок, графит и др.). Это явление характерно и для живых организмов. Например, при движении крови в артериях возникает не большой потенциал течения (~0,001~0,002 В), имеющий, однако, важное биологическое значение. Одна из волн, наблюдаемых на электрокардиограммах, обусловлена этим потенциалом.
|
|
В 1878 г. Дорн открыл явление, обратное электрофорезу, названное потенциалом седиментации (осаждения).
Потенциал седиментации – это явление возникновения потенциалов на электродах, расположенных на разной высоте в сосуде, в котором происходит оседание частиц дисперсной фазы.
Таким образом, разность потенциалов возникает в результате движения частиц. Схематически возникновение потенциала течения и потенциала седиментации показано на рис. 8.3 и 8.4.
Рассмотренные явления – электроосмос, электрофорез, потенциал течения и потенциал седиментации – объединяют под общим названием электрокинетические явления, поскольку они связаны с электрическим полем и полем скоростей (кинетическим полем).
Эти явления находят широкое применение: электроосмос – для ускорения сушки торфа, древесины и пр., дубления кожи, очистки дисперсионной среды золей, а также воды, пропитки материалов различными композициями, в электрохимических приборах и т.д.; электрофорез – для получения чистого каолина из глинистой суспензии, нанесения покрытий на поверхности сложных конфигураций, например, грунтовки кузовов автомобилей, для обезвоживания, в медицине как метод введения лекарственных средств в организм человека и т. д.
Рис.8.3. Схема возникновения потенциала течения
Рис. 8.4. Схема возникновения потенциала седиментации
С явлениями потенциала течения и потенциала седиментации приходится считаться в производствах, в которых осуществляется транспортировка жидкостей (перекачка технологических растворов, жидкого топлива), осаждение суспензий и эмульсий при разделении фаз и т.д. На концах трубопроводов и аппаратов могут возникать высокие разности потенциалов, которые являются причиной искровых разрядов, вызывающих пожары и взрывы.
Очевидно, что причина электрокинетических явлений заключена в противоположности знаков зарядов твердой частицы и жидкой дисперсионной среды. С современной точки зрения на поверхности твердой фазы существует двойной электрический слой (ДЭС).