Электрофорез и электроосмос

Электрофорез — это движение коллоидных частиц в жидкой среде под действием электрического поля. Явление возникает вследствие наличия на поверхности частиц заряда, который формируется в результате ионной диссоциации, адсорбции ионов или ионного обмена. Заряженные частицы в электрическом поле испытывают силу, направленную к электродам противоположного знака. Скорость движения частицы определяется как величиной заряда, так и сопротивлением среды, выражаемым через вязкость и диффузионные свойства среды.

Основные характеристики электрофореза:

• Заряд частиц (q) — определяет направление движения; частицы с положительным зарядом движутся к катоду, отрицательные — к аноду.
• Скорость движения (v) — зависит от силы электрического поля (E), заряда частицы и вязкости среды согласно закону Стокса и уравнению Смолуховского:

$$ v = \frac{\varepsilon \zeta}{\eta} E $$

где ε — диэлектрическая проницаемость среды, ζ — потенциал на поверхности скользящей плоскости, η — вязкость.

• Электрофоретическая подвижность (μ) — величина, характеризующая способность частицы двигаться в электрическом поле:

$$ \mu = \frac{v}{E} = \frac{\varepsilon \zeta}{\eta} $$

Факторы, влияющие на электрофорез:

1. Ионная сила раствора: увеличение концентрации электролитов снижает диффузионный слой и уменьшает скорость движения частиц.
2. pH среды: определяет степень ионизации поверхностных групп, изменяя заряд частиц.
3. Температура: влияет на вязкость среды и кинетическую энергию частиц.
4. Природа ионов: специфическое взаимодействие с поверхностью может изменить заряд и потенциал скольжения.

Электрофорез применяется для разделения коллоидов, изучения их поверхностных свойств, а также в биохимии для разделения белков и нуклеиновых кислот.

Электроосмос — это движение жидкости через пористую среду или капилляры под действием электрического поля. В отличие от электрофореза, здесь движется не частица, а жидкая среда, связанная с поверхностным зарядом твердых фаз.

Механизм электроосмоса: Поверхность капилляра или пористой среды приобретает заряд (обычно отрицательный), на который адсорбируются контр-ионы. В электрическом поле эти ионы стремятся к противоположному электроду, увлекая с собой гидратированную воду, создавая поток жидкости.

Характеристики электроосмоса:

• Скорость потока (u) определяется уравнением:

$$ u = \frac{\varepsilon \zeta}{\eta} E $$

Аналогично электрофорезу, скорость зависит от потенциала поверхности и вязкости жидкости.

• Направление потока определяется знаком поверхности ионов. Для отрицательно заряженных поверхностей поток направлен к катоду.

Факторы, влияющие на электроосмос:

1. Поверхностный заряд твердой фазы: чем выше заряд, тем сильнее поток.
2. Ионная сила раствора: увеличение концентрации электролитов уменьшает толщину двойного электрического слоя и снижает скорость потока.
3. Вязкость и диэлектрическая проницаемость жидкости: напрямую влияют на скорость движения.

Электроосмос используется в микрофлюидике, для транспортировки жидкостей в капиллярных системах, а также в аналитической химии для управления движением растворителей и анализа коллоидных систем.

Взаимосвязь электрофореза и электроосмоса:

• Оба явления обусловлены наличием заряженной поверхности и электрического поля.
• Электрофорез отражает движение частиц, электроосмос — движение жидкости.
• В узких каналах и капиллярах движение частиц в электрическом поле определяется суммой их собственной электрофоретической подвижности и скорости электроосмотического потока. Это явление учитывается при расчётах в капиллярной электрофорезной хроматографии.

Практическое значение: знание законов электрофореза и электроосмоса позволяет проектировать системы разделения коллоидов, контролировать стабильность коллоидных растворов, а также создавать устройства для точного управления микропотоками жидкости.