5.5. Электрокинетические явления

Существование на поверхности частиц дисперсных систем двойного электрического слоя является причиной особых электрокинетических явлений. Впервые эти явления были обнаружены Ф. Ф. Рейссом в 1807 – 09 гг. Исследуя закономерности электролиза, Рейсс, чтобы предотвратить взаимодействие его продуктов, разделил катодное и анодное пространства в Uобразной трубке диафрагмой из толчёного песка. При пропускании электрического тока через эту систему он обнаружил перенос жидкости из анодного в катодное пространство. Такое явление получило название электроосмоса. Электроосмос приводит к изменению уровней жидкости в сообщающихся сосудах  анодной и катодной частях U-образной трубки.

Ещё одно электрокинетическое явление  электрофорез,  было обнаружено Рейссом в аналогичном эксперименте, с тем, однако, отличием, что здесь роль диафрагмы играл не песок, а высокодисперсная глина. (Сам Рейсс назвал это явление катафорезом). Погрузив во влажный комок глины две заполненные водой стеклянные трубки с электродами. Рейсс обнаружил, что после приложения к электродам разности потенциалов наряду с подъёмом жидкости (у катода) в анодном пространстве появляется взвесь частиц глины. Перемещение высокодисперсных частиц (в данном случае мельчайших частиц глины) глины под действием электрического тока и является электрофорезом.

Электрофорез и электроосмос наблюдаются в дисперсных системах с жидкой полярной, чаще всего водной средой. Их причиной является движение разноимённо заряженных частей двойного электрического слоя относительно друг друга, которое вызывается прохождением через систему электрического тока. Разрыв ДЭС происходит по поверхности скольжения, проходящей между адсорбционным и диффузным слоями противоионов.

Электрофорез наблюдается в ультрамикрогетерогенных (коллоидных) системах. При нём противоионы диффузного слоя движутся в сторону электрода с соответствующим зарядом – катионы в сторону катода, анионы – в сторону анода. Эти ионы в своём движении увлекают за собой какую-то часть дисперсионной среды. Однако при отсутствии мембраны, разделяющей катодное и анодное пространство, это перемещение жидкости незаметно. Гранулы коллоидных мицелл, имеющие заряд, противоположный заряду противоионов, движутся к другому электроду. Движение гранул происходит намного медленнее, чем ионов, что обусловлено несколькими причинами – большими размерами, большим электрическим зарядом и сопротивлением движущейся им навстречу жидкости, увлекаемой противоионами. Огромные по сравнению с ионами объём и масса гранул создают значительное гидродинамическое сопротивление. А большой заряд является причиной того, что при разряде на одном электроде огромного числа противоионов требуется разряд на другом электроде всего одной гранулы.

Электроосмос наблюдается в грубодисперсных системах, частицы которых из-за больших размеров неподвижны или, как в связнодисперсных системах, образуют достаточно прочную единую объёмную структуру. При этом в движении под действием электрического тока участвуют только противоионы диффузного слоя, увлекающие за собой жидкую дисперсионную среду. Так как совокупность неподвижных частиц дисперсной фазы играет роль полупроницаемой мембраны, перемещение жидкой фазы становится заметным.

Электроосмос и электрофорез используются на практике, но их применение, в особенности электроосмоса, ограничено в связи с большим расходом электроэнергии. Так, электроосмос может быть использован для предварительного обезвоживания пористых материалов, например, древесины или пористых сорбентов, для облегчения резания глины в кирпичном производстве и т. п. Электрофорез применяется для нанесения на металлические детали плотных и прочных резиновых и других полимерных покрытий, для очистки каолина в фарфоровом производстве, но особенно велика его роль в биохимии и в медицине. В частности, он применяется для электрофоретического анализа крови с целью диагностики, для разделения белков на фракции, а также в качестве широко известной физиотерапевтической процедуры.

Впоследствии были обнаружены электрокинетические явления, противоположные электроосмосу и электрофорезу, и заключающиеся в появлении электрического поля в результате перемещения относительно друг друга дисперсной фазы и дисперсионной среды. Явление, обратное электроосмосу (эффект Квинке)  возникновение электрического тока при протекании жидкости через пористую диафрагму  наблюдал в 1859 г. Г. Квинке. Эффект Квинке может быть продемонстрирован на таком несложном опыте. В стеклянную трубку помещается кварцевый песок, полностью перекрывающий её просвет. Вместо песка может быт использована любая пористая диафрагма, например, стеклянная пористая пластинка фильтра Шотта. С двух сторон песка или другой диафрагмы в трубку вводятся электроды, изготовленные, например, из медной сетки или из перфорированных пластинок. Затем через трубку насосом или под действием собственной тяжести прокачивается вода. Гальванометр, присоединённый к электродам, зарегистрирует появление разности потенциалов – т. н. «потенциала протекания».

Обратное электрофорезу явление возникновения электрического тока и разности потенциалов при движении частиц (эффект Дорна)  было обнаружено в 1878 г. Э. Ф. Дорном. Этот эффект тоже может быть показан на несложном опыте. В высокий стеклянный цилиндр с водой помещаются два кольцеобразных металлических электрода, один несколько выше дна, а другой – немного ниже поверхности воды. Если сверху в цилиндр сыпать тонкой струёй кварцевый песок, между электродами возникнет разность потенциалов – «потенциал оседания (седиментации)».

Оба эти эффекта обусловлены разрывом двойного электрического слоя по поверхности скольжения при относительном перемещении частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды, которая увлекает за собой противоионы диффузного слоя.