ЛЕКЦИЯ 10.
ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
Первые электрокинетические явления были открыты в 1807-1808 г. г. профессором Московского университета Фердинандом-Фридрихом Рейссом. Исследуя явление электролиза воды, Рейсс обнаружил, что если в нижней части U-образной трубки поместить в виде жестко закрепленной диафрагмы кварцевый песок и заполнить трубку водой, то при наложении электрического поля происходит смещение жидкости в сторону отрицательно заряженного электрода. Уровень жидкости в колене с отрицательно заряженным электродом повышался до определенного предела, уравновешивался гидростатическим давлением и далее оставался постоянным. После выключения тока перепад уровней быстро исчезал. Движение жидкости в капиллярно-пористых телах под действием внешнего электрического поля названо электроосмосом. Более поздними исследованиями установлено, что скорость движения жидкости постоянна, а количество перенесенной жидкости прямо пропорционально приложенной разности потенциалов и диэлектрической проницаемости и обратно пропорционально вязкости среды (рис. 1).
Рис. 1. Опыт Ф.Ф. Рейсса по электроосмосу
Во втором опыте Рейсс погрузил в сырую глину две стеклянные трубки, заполнил их водой и поместил в них электроды. При включении постоянной разности потенциалов наблюдалось движение частиц глины в жидкости к положительно заряженному электроду. В дальнейшем было установлено, что частицы движутся с постоянной скоростью и тем быстрее, чем больше приложенная разность потенциалов и диэлектрическая проницаемость среды, а повышение вязкости снижает скорость их движения. Перенос частиц дисперсной фазы в электрическом поле получил название электрофореза, или катафореза (рис. 2).
В 1859 г. немецкий физик Георг Герман Квинке обнаружил явление
Рис. 2. Схема опыта Ф.Ф. Рейсса по электрофорезу
противоположное электроосмосу. При течении жидкости через диафрагму из песка, глины, графита или другого пористого материала под действием приложенного давления возникает разность потенциалов между двумя её сторонами. Это явление названо потенциалом протекания, или потенциалом течения, а также эффектом Квинке (рис. 3, а). Позже установлено, что потенциал течения пропорционален объёмной скорости фильтрации жидкости.
В 1878 г. Э. Дорн открыл явление, обратное электрофорезу. При седиментации частиц суспензии кварца в воде регистрируется разность потенциалов на разных уровнях по высоте столба суспензии. Это явление названо потенциалом седиментации или оседания, а также эффектом Дорна (рис. 3, б). Дорн наблюдал это явление при оседании частиц кварца в центрифуге.
Все четыре явления названы электрокинетическими, так как относительное перемещение фаз во всех четырех явлениях связано с электрическими полями. Электрофорез и электроосмос называют электрокинетическими явлениями первого рода. Это явления, при которых приложенная разность электрических потенциалов вызывает взаимное перемещение фаз. Эффект Квинке и эффект Дорна называют электрокинетическими явлениями второго рода. Это явления, при которых взаимное перемещение фаз вызывает возникновение электрической разности потенциалов.
а б
Рис. 3. Схемы возникновения токов и потенциалов течения (а) и оседания (б)
Причиной всех электрокинетических явлений служит наличие одноименных зарядов на поверхности частиц дисперсной фазы и противоположных по знаку зарядов в приповерхностном слое дисперсионной среды. Совокупность всех зарядов, сконцентрированных на границе раздела фаз, образует структуру, называемую двойным электрическим слоем.