Электроосмос

Напомним о явлении осмоса (др.-греч wsmoV толчок, давление). В общем случае осмос – односторонний перенос растворителя из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией растворенного вещества через полупроницаемую перегородку, разделяющую растворы. Известны полупроницаемые перегородки (мембраны), пропускающие только растворитель и другие – пропускающие только растворенное вещество. Различные биологические мембраны проницаемы не только для частиц растворителя, но избирательно пропускают некоторые ионы и молекулы растворенных веществ. В данном разделе рассматриваются осмотические явления с участием мембран, пропускающих растворитель.

На рис. 23 представлен термодинамически разрешенный (самопроизвольный) процесс выравнивания концентраций в результате перехода растворителя из менее концентрированного в более концентрированный раствор через мембрану. В результате осмоса объем раствора в коленах U-образного сосуда изменяется. Создается препятствующее осмосу гидростатическое давление (осмотическое давление p) столба жидкости h, в итоге наступает осмотическое равновесие.

исходное состояние конечное (равновесное) состояние системы

Рис. 23. Схема прибора, демонстрирующего явление осмоса.

Если в одном колене находится раствор соли, а в другом – чистая вода, то высота столба жидкости и, соответственно, осмотическое давление тем больше, чем больше концентрация соли в воде:

p = сRT.

Электроосмос не является самопроизвольным процессом. Требуется затратить некоторое количество электрической энергии на перемещение растворителя из одного колена в другое через мембрану, функцию которой может выполнять, например, кварцевый песок (рис. 24).

Рис. 24. Явление электроосмоса в U-образной трубке, заполненной кварцевым песком и водой: а) уровни воды в обоих коленах одинаковые, система находится в состоянии равновесия; б) при наложении электрического поля наблюдается перемещение жидкости, происходящее до тех пор, пока не будет достигнуто давление, препятствующее дальнейшему изменению уровней

Под воздействием постоянного электрического поля наблюдается изменение уровней жидкости в коленах U-образной трубки, содержащей кварцевый песок.

В результате реакции:

SiO₂ + 2H₂O ® H₂SiO₃ + H₂O ® H₃O⁺ + HSiO₃^-

частицы дисперсной фазы (кварцевого песка) представляют собой мицеллы.

Мицелла

[SiO₂] _mn HSiO₃ ^- |(n - у) H₃O⁺ | у H₃O⁺.

ядро двойной электрический слой диффузный слой

Окруженные двойным электрическим слоем частицы кварца создают условия, когда при действии внешнего электрического поля гидратированные ионы диффузной части (Н₃О⁺) мицеллы перемещаются к отрицательному электроду, повышая уровень жидкости в левой части U-образного колена (рис. 24).

На рис. 25 показана модель движения гидратированных ионов диффузного слоя внутри капилляра из кварцевого песка в результате действия электроосмоса. Положительно заряженные противоионы Н₃О⁺ движутся в направлении отрицательно заряженного электрода источника тока.

Рис. 25. Модель электроосмоса – модель движения гидратированных ионов диффузного слоя внутри капилляра из кварцевого песка

Электроосмос используется при обезвоживании капиллярно-пористых тел, сыпучих материалов, сахарных сиропов, при очистке воды и осушке стен зданий.

Известно, что при нарушении гидроизоляции стен подвальных помещений они сыреют от почвенной влаги, проникающей в стены по капиллярам. В этом случае для осушки стен используют электроосмос. В верхнюю часть стены подвального помещения вблизи потолка устанавливают один электрод, а другой помещают в грунт через отверстие в полу. Знаки электродов устанавливают так, чтобы влага в составе гидратированных ионов диффузного слоя уходила по капиллярам из стены в почву.

Стены старых зданий необходимо не только сушить. Для поддержания их в сухом состоянии приходится постоянно поддерживать разность потенциалов, препятствующую увлажнению стен капиллярной водой в течение всего времени дальнейшей эксплуатации здания.