Электроосмос и электрофорез представляют собой важнейшие явления в области физической химии поверхности, тесно связанные с поведением жидких фаз вблизи заряженных поверхностей и переносом заряженных частиц в электрическом поле. Эти процессы активно используются в коллоидной химии, аналитической химии, микро- и нанофлюидике, а также в химическом анализе и промышленной переработке.
Электроосмос — это движение жидкости относительно неподвижной твердой поверхности под действием приложенного электрического поля. Причиной движения служит наличие электрического заряда на поверхности и соответствующий ему двойной электрический слой, формирующийся в прилегающем растворе.
Электрофорез — это движение заряженных частиц (коллоидных частиц, макромолекул, ионов) под действием электрического поля через жидкую среду. Скорость движения частицы определяется её зарядом, размером, вязкостью среды и характеристиками двойного электрического слоя.
Фундаментальной основой для обоих процессов является двойной электрический слой (ДЭС), который формируется на границе раздела твердое тело–жидкость. ДЭС состоит из:
Толщина диффузного слоя характеризуется дебаевской длиной, зависящей от диэлектрической проницаемости среды, температуры и концентрации ионов. Напряженность электрического поля в диффузном слое вызывает движение жидкости (электроосмос) и частиц (электрофорез).
Электроосмос возникает вследствие взаимодействия диффузного слоя и внешнего электрического поля. Заряженные ионы диффузного слоя стремятся перемещаться под действием поля, захватывая за собой молекулы растворителя.
Скорость электроосмотического потока (v_{eo}) описывается уравнением Гельмгольца–Смолуховского:
[ v_{eo} = E]
где:
Зета-потенциал является ключевой характеристикой поверхности, определяющей величину и направление электроосмотического потока. Он зависит от природы поверхности, состава ионов в растворе, рН и температуры.
Электрофорез описывает движение заряженных частиц в растворе под действием электрического поля. Частица окружена двойным электрическим слоем, и её движение относительно жидкости создаёт устойчивый поток. Скорость частицы (v_{ep}) определяется выражением:
[ v_{ep} = E f(a)]
где:
Электрофоретическая подвижность (_{ep}) определяется как отношение скорости частицы к напряжённости поля:
[ _{ep} = = f(a)]
Для мелких частиц ((a )) электрофоретическая подвижность уменьшается из-за слабой электрической двойной оболочки, а для больших частиц ((a )) она приближается к значению, заданному уравнением Гельмгольца–Смолуховского.
На величину и направление электроосмотического потока и электрофоретического движения оказывают влияние:
Электроосмос используется в микрофлюидике для создания насосов без движущихся частей, в очистке ионообменных колонок, стабилизации гелей и коллоидов.
Электрофорез применяется в аналитической химии для разделения макромолекул, белков и нуклеиновых кислот, в электроосмотических манипуляциях с наночастицами и в промышленной технологии очистки водных растворов.
Электроосмос и электрофорез взаимосвязаны: движение жидкости в электроосмосе может влиять на скорость и направление электрофоретического потока частиц. При исследовании коллоидных систем часто учитывают суммарный эффект, называемый электрокинетическим потоком, который определяется как совокупность движения частиц и жидкости под действием электрического поля.
Важнейшие экспериментальные методы изучения включают измерение зета-потенциала с помощью микроскопии, лазерной доплеровской электрофореза и электроосмотических тестов в капиллярах. Эти методы позволяют количественно оценивать свойства поверхности и прогнозировать поведение коллоидов в электрическом поле.