Электрокинетические явления

Суть и классификация электрокинетических явлений

Электрокинетические явления — это физико-химические процессы, возникающие при взаимодействии жидкости с электродвигательными силами вблизи твердых поверхностей, разделяющих две фазы (твердое тело — жидкость, жидкость — жидкость). Они связаны с движением заряженных частиц и ионов, а также с образованием электрических двойных слоев на интерфейсах.

Основные виды электрокинетических явлений:

Электроосмос — движение жидкости относительно неподвижной поверхности под действием внешнего электрического поля.
Электрофорез — движение взвешенных в жидкости заряженных частиц под воздействием электрического поля.
Зета-потенциал — электрический потенциал на сдвиговой поверхности (поверхности раздела жидкость — твердая фаза).
Пьезоэлектрокинетические эффекты — изменение электрического потенциала при деформации пористой среды.

Электрический двойной слой

На границе раздела твердая поверхность — электролитическая жидкость формируется электрический двойной слой (ЭДС), состоящий из двух слоев:

Слой адсорбированных ионов — прочно связанный с поверхностью.
Диффузный слой — ионы, движущиеся под действием теплового движения и электростатического притяжения.

ЭДС отвечает за электрический потенциал, который влияет на электрокинетические эффекты.

Механизм электроосмоса и электрофореза

Электроосмос: При приложении внешнего электрического поля, ионы диффузного слоя начинают движение вдоль поверхности, вовлекая с собой молекулы жидкости, что приводит к течению жидкости относительно неподвижной поверхности.
Электрофорез: Заряженные частицы в жидкости под действием электрического поля начинают перемещаться. Скорость движения пропорциональна силе поля и зависит от величины и знака заряда, вязкости среды и зета-потенциала.

Практическое значение электрокинетических явлений

Коллоидная стабилизация и агрегирование: Зета-потенциал служит индикатором устойчивости коллоидных систем. Чем выше по модулю потенциал, тем стабильнее суспензия.
Микрофлюидика и биомедицина: Электроосмос широко используется для управления потоками жидкостей в микро- и наноканалах, в анализаторах и сенсорах.
Очистка и сепарация: Электрофорез применяется для разделения биологических макромолекул, наночастиц, загрязнителей.

Факторы, влияющие на электрокинетику

Ионный состав и концентрация раствора: Влияние ионной силы на структуру ЭДС и величину зета-потенциала.
pH среды: Определяет заряд поверхности ионов на интерфейсе.
Температура: Влияет на вязкость жидкости и подвижность ионов.
Свойства поверхности: Химическая природа, шероховатость, адсорбция.

Модели и уравнения электрокинетики

Уравнение Гельмгольца-Смолуховского для скорости электроосмотического потока:

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

где v — скорость потока, ε — диэлектрическая проницаемость, ζ — зета-потенциал, η — вязкость, E — напряжённость электрического поля.
Уравнение Грантса для электрофореза частиц с учетом двойного слоя и вязкостных сил.

Электрокинетические явления — фундаментальные процессы, играющие ключевую роль во множестве технологических и научных областей, связанных с наноматериалами, коллоидами, микро- и нанофлюидными системами. Глубокое понимание этих явлений необходимо для эффективного проектирования и управления свойствами наноструктур и устройств.