14.3. Электркинетикалық құбылыстар
Дисперстік бөлшектердің бетіндегі электрлік заряд бірнеше нәтижелерге әкеледі. Біріншісі – дисперсті жүйені электр өрісіне орналастырса, бөлшектер қарсы зарядталған электродқа қарай қозғала бастайды; мұндай қозғалысты электрфорез деп атайды. Екіншісі – электр өрісінің әсерінен кеуекті материалдардан сұйық дисперсиялық ортаның ағуы; мұндай ағу электросмос деп аталады.
Электрфорез бен электросмос бірінші текті электркинетикалық құбылыстарға жатады. Электркинетикалық құбылыстарға кері құбылыстар да жатады: дисперсиялық ортадағы (мысалы, судағы) бөлшектердің қозғалысынан дисперстік бөлшектерде электрлік заряд пайда болады және мембранадан немесе кеуекті ортадан ағатын сұйықтықта электрлік заряд туады. Бұл екі құбылысты шөгу (седиментация) потенциалы және ағу потенциалы деп атап, екінші текті электркинетикалық құбылыстарға жатқызады.
Осы электркинетикалық құбылыстардың негізгі заңдылықтарын қарастырайық.
Электрфорез дегеніміз коллоидтық ерітіндідегі зарядталған дисперстік бөлшектердің электр өрісіндегі қозғалуы. Заряд белгісіне қарай бөлшектер анодқа не катодқа қарай қозғалады.
Электрфорезді 1808 ж. Мәскеу университетінің профессоры Ф.Ф. Рейсс ашқан. Ол ылғал сазға ішінде электродтары бар су толтырылған екі шыны түтікшені енгізген (44-сурет). Электр өрісін бергенде, катод қосылған түтікшедегі сұйық ылайланып, оның шекарасының жоғары қарай жылжуы байқалды. Мұны саз балшықтың бөлшектерінің теріс зарядталғанымен түсіндіруге болады.
Ылайлану шекарасының уақытқа байланысты жылжуы бойынша дисперстік бөлшектердің жылдамдығын (υ) анықтауға болады. Негізгі теориялық мақсат – электродтардағы кернеуге (U) байланысты электрфорез жылдамдығы мен бөлшектердің электркинетикалық потенциалын (ξ) есептеу.
Бөлшектердің сандық концентрациясы (ν, м-3) аз коллоидтық ерітіндіні (золь) қарастырайық. Мұндай жағдайда бөлшектер бір біріне тәуелсіз қозғалады.
Дисперстік бөлшектерге қатысты екі шарт енгізейік:
бөлшектердің өлшемдері (d) ҚЭҚ-тың қалыңдығынан (δ) кіші болу керек: d < δ; бұл шарт қарсы иондардың аз концентрациясында (С0) орындалады;
бөлшек материалы электрлікті өткізбей; потенциал анықтағыш иондардың заряды тек беттік зарядты анықтайды.
Электр өрісінде әр дисперстік бөлшекке екі күш әсер етеді. Біреуі – электр өрісінің күші fе, ол бөлшекті қарсы зарядталған электродқа қарай қозғалтады. Екіншісі – сұйықтықтың тұтқырлығымен (η, Па.с) анықталатын оның кедергі күші fV.
Электрстатика заңына сәйкес қозғаушы күш
(14.1)
тең болады. Мұндағы Е – электр өрісінің кернеулігі (E = U/L), В/м; L – электродтардың арақашықтығы, м; ρs – беттік заряд тығыздығы, Кл/м2.
ρs шамасы электрлік потенциалға φ(х) тәуелді. Гельмгольцтің теориясы бойынша ҚЭҚ үшін
, (14.2)
мұндағы х – конденсатор табақшалырының арақашықтығы.
Сырғанау шекарасының орналасу қашықтығын анықтау керек. Сырғанау шекарасы Δ>d қашықтығында орналасады. Қатты бөлшек қозғалғанда d аралығында сұйықтық ағысқа қосылып, х=d қашықтықта бұл ағыстың жылдамдығы бөлшек жылдамдығына, ал х≥Δ болғанда жылдамдық нольге тең болады.
Сырғанау шекарасы ҚЭҚ-тың диффузиялық бөлігінде жатыр. Сырғанау шекарасының потенциалын электркинетикалық немесе ζ-потенциал деп атайды. Сондықтан fе күшін есептеу үшін заряд тығыздығы Δ қашықтығындағы сырғанау жазықтығының ζ-потенциалына сәйкес, яғни . Онда электрлік күш
(14.3)
тең болады. Ньютон заңымен анықталатын тұтқырлық кедергі күші электр күшіне қарама қарсы бағытталады:
, (14.4)
мұндағы dυ/dx – ағыс бағытына перпендикуляр х бағытындағы ағыс жылдамдығы.
Жұқа қабат үшін dυ/dx ≈ υ/Δ, сондықтан сұйықтықтың тұтқыр кедергі күшін келесі теңдеу арқылы есептеуге болады:
. (14.5)
Электрфорездің стационар жағдайында, яғни бөлшектер-дің тұрақты қозғалу жылдамдығында, күштер теңеседі: . Онда келесі теңдеуге келеміз:
. (14.6)
υ/Е = υ0 қатынасын электрфоретикалық жылдамдық деп атайды. Келтірілген теңдеулер бойынша электрфоретикалық жылдамдық дисперстік бөлшектердің өлшемдеріне тәуелсіз. Бұл жағдай өлшемдері 100 мкм болатын бөлшектер үшін орындалады. Нанобөлшектердің электркинетикалық потенциалын өлшеу үшін олардың өлшемдерін ескеру керек.
Электрфорез ғылыми зерттеулерде, технологиялық үрдістерде кеңінен қолданылады. Белоктар, аминқышқылдары, антибиотиктер, ферменттерді таза күйінде бөліп алу мен талдау үшін электрфорез әдісі кеңінен пайдаланылады. Бұл әдісті өңдеп шығарғаны үшін швед биохимигі А.Тизелиус 1948 ж. химия саласында Нобель сыйлығына ие болды. Медицинада электрфорез (қан плазмасының электрфореграммалары) әртүрлі ауруларды анықтау үшін (диагностикада) пайдаланылады.
Достарыңызбен бөлісу: |
