Электрокинетикалық құбылыстар

Электрокинетикалык қ ұ былыстарғ а электроосмос, электрофорез, ағ у жә не шө гу потенциалдары жатады. Электрокинетикалық қ ұ былыстарды алғ ашқ ы рет Москва мемлекеттік университетінің профессоры Ф.Ф.Рейсс байқ ағ ан. Ол судың электролизін зерттей отырып электрофорез жә не электроосмос қ ұ былыстарын ашқ ан. Ф.Ф.Рейсс мынадай тә жірибелер койды. Бірінде U-тә різдес шыны тү тікше алып (1-сурет), оның тө менгі жағ ына диафрагма (жартылай ө ткізгіш) (1) ретінде қ ұ м салды. Сонан соң тү тікшеге су қ ұ йып (2), екі электродты тү тікшенің екі жағ ына батырып электр ө рісін берген кезде судың " теріс" зарядталғ ан электродқ а (катодқ а) қ арай жылжып, соның нә тижесінде судың дең гейі кө терілетіндігін байқ ады. Электр ө рісінде дисперстік ортаның қ озғ алуын электроосмос деп атайды.

1-сурет. Электроосмостың сызба-нұ сқ асы

Ал осы тә жірибені тү тікшеге қ ұ м салмай тек сумен жасағ анда электр ө рісінде сұ йық тың қ озғ алысы байқ алмады. Бұ дан Ф.Ф.Рейсс ыдысқ а қ ұ м салғ анда су зарядталады деген тұ жырым жасады.

Электрокинетикалық потенциал () мен электроосмостық қ озғ алғ ыштық ( арасындағ ы байланыс Гелъмголъц-Смолуховский тең деуі арқ ылы ө рнектеледі:

(1.1)

мұ ндағ ы - дисперстік ортаның тұ тқ ырлығ ы; - ортаның салыстырмалы диэлектрлік ө ткізгіштігі; - диэлектрлік тұ рақ ты шама, ол 8, 85-10^-12 Ф/м-ге тең.

Электроосмостық қ озғ алғ ыштық ты дисперстік ортаның сызық ты жылдамдығ ы (, м/с) мен потенциалдар градиенті арқ ылы (Н, В/м) ө рнектеуге болады:

(1.2)

Ал дисперстік ортаның сызық ты жылдамдығ ын оның кө лемдік жылдамдығ ы (, м³/с) арқ ылы ө рнектеуге болады:

(1.3)

мұ ндағ ы - кеуек денедегі барлық капиллярлардың қ има беттерінің ауданы.

Практикада капиллярдың қ има бетінің ауданын () анық тау қ иын. Сондық тан электроосмостық қ озғ алғ ыштық ты Ом заң ына сә йкес қ айтадан ө рнектеп жазатын болсақ, соң ында қ ұ рамына қ има бетінің ауданы кірмейтін тең деу аламыз:

(1.4)

мұ ндағ ы - электродтар арасындағ ы қ ашық тық; Е - электродтар арасындағ ы потенциалдар айырымы; - тоқ кү ші; - электрлік кедергі; - меншікті электрө ткізгіштік.

Енді (1.4) тең деудегі мә нін (1.1) тең деуге қ ойсақ, электроосмос қ ұ былысының басқ аша тең деуін аламыз:

(1.5)

Демек (1.5) тендеуі тә жірибе жү зінде анық талғ ан , , жә не мә ндері негізінде жартылай ө ткізгіштің электрокинетикалық потенциалын есептеуге мү мкіндік береді.

Екінші тә жірибесінде Ф.Ф.Рейсс балшық қ а екі шыны тү тікше батырып, оларғ а су кұ йды да, электродтар салып, электр ө рісін берді (2-сурет). Сонда қ ұ мның бө лшектері оң зарядталғ ан электродқ а (анодқ а) қ арай жылжығ анын байқ ады.

Электр ө рісінде дисперстік фаза бө лшектерінің қ озғ алуын электрофорез деп атайды.

2-сурет. Электрофорездің сызба-нұ сқ асы

Электрокинетикалық потенциал мен электрофоретикалық қ озғ алғ ыштық () арасындағ ы байланыс Гелъмольц-Смолуховский тендеуі арқ ылы ө рнектеледі:

(1.6)

Электрофоретикалық қ озғ алғ ыштық бө лшектің сызық ты жылдамдығ ымен (, м/с) жә не потенциалдар градиентімен (Н) мына тең деу арқ ылы байланысқ ан:

(1.7)

мұ ндағ ы Н=Е/L (Е - электродтар арасындағ ы потенциалдар айырымы; L - электродтар арасындағ ы қ ашық тық).

Демек (1.7) тендеудегі мэнін (1.6) тендеуге қ оятын болсақ, - потенциалды электрофорез ә дісі арқ ылы есептеуге мү мкіндік беретін тең деу аламыз:

(1.8)

Кейінірек (1859 ж.) Квинке электроосмосқ а кері қ ұ былысты - ағ у потенциалын - байқ ады. Ағ у потенциалы деп жартылай ө ткізгіш (диафрагма) арқ ылы сұ йық ақ қ анда жартылай ө ткізгіштің екі жағ ында орналасқ ан электродтар арасында потенциалдар айырымының пайда болу қ ұ былысын айтады (3-сурет).

3-сурет. Ағ у потенциалының пайда болуының сызба-нұ сқ асы

Электрокинетикалык потенциал мен ағ у потенциалы (U_{ағ у}) арасындағ ы байланыс Гельмгольц-Смолуховский тең деуі арқ ылы ө рнектеледі:

(1.9)

мұ ндағ ы - жартылай ө ткізгіштің екі жағ ындағ ы қ ысымдар айырымы.

1878 ж. Дорн электрофорез қ ұ былысына кері қ ұ былысты - шө гу потенциалын - байқ ады. Шө гу потенциалы деп ыдыстағ ы суспензияның бө лшектері шө ккенде ыдыстың ү стің гі жә не астың ғ ы жақ тарында орналасқ ан электродтар арасында потенциалдар айырымының пайда болуы қ ұ былысыи айтады (4-сурет).

Электрокинетикалык потенциал мен шө гу потенциалы () арасындағ ы байланысты ө рнектейтін Гельмгольц-Смолуховский тең деуі былай жазылады:

(1.10)

Мұ ндағ ы - дисперстік ортанын тұ тқ ырлығ ы; - дисперстік ортаның меншікті электрө ткізгіштігі; - дисперстік фаза бө лшектерінің радиусы; мен - дисперстік фаза мен дисперстік ортаның тығ ыздық тары; - дисперстік фаза бө лшектерінің сандық концентрациясы; - электродтар арасындағ ы қ ашық тық.

4-сурет. Шө гу потенциалының пайда болуының сызба-нұ сқ асы

Сонымен электрокинетикалық қ ұ былыстарды себеп-салдар белгілері бойынша екі топқ а бө луге болады Сырттан берілген электр ө рісінің нә тижесінде фазаның (дисперстік ортаның немесе фазаның) қ озғ алысқ а келуі (электроосмос пен электрофорез);

Фазаның (дисперстік ортаның немесе фазаның) қ озғ алысы нә тижесінде электродтар арасында потенциалдар айырымының пайда болуы (ағ у жә не шө гу потенциалдары).

Бұ лардың ішіндегІ маң ыздылары: электроосмос пен электрофорез.