Электрокинетические явления в дисперсных системах

Термин "электрокинетические явления" отражает взаимосвязь между электрическим полем и взаимным перемещением частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды в дисперсных систе­мах. Электрокинетические явления характерны для тех систем, в которых на границе раздела фаз имеется двойной электриче­ский слой. При наложении электрического поля в дисперсных системах происходит взаимное перемещение частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды относительно друг друга к проти­воположно заряженным электродам. При этом наблюдается два явления - электрофорез и электроосмос.

Электрофорезом называется направленное движение за­ряженных частиц дисперсной фазы относительно дис­персионной среды под действием электрического поля.

Частицы дисперсной фазы, несущие заряд адсорбированных потенциалопределяющих ионов, и сольватированные противо-ионы диффузного слоя этих частиц в зависимости от знака их заряда перемещаются к соответственно заряженным электродам (рис. 27.17). Скорость их движения в электрическом поле пря­мо пропорциональна напряженности электрического поля и ве­личине электрокинетического потенциала, характеризующего данную дисперсную систему:

где и - скорость движения частиц дисперсной фазы в электрическом поле; Н - напряженность электрического поля; - диэлектрическая проницаемость среды; - вязкость среды; - электрокинетический потенциал.

Измерив эксперимен­тально скорость движения частиц дисперсной фазы и, можно рассчитать значение системы:

,где Н задается условиями экс­перимента, а значения n и для данной среды находят в справочнике физических ве­личин.

Рис. 27.17. Схема движения частиц при электрофорезе

Методом электрофореза получены важные экспериментальные данные об электрохимических свойствах биологических систем. Так, установлено, что внутренняя поверхность биологических мембран (клеточной стенки) заряжена отрицательно. Электрокинетический потенциал разных клеток может иметь различные значения. Например, эритроцитов в крови человека практически постоянен и равен -16,3 мВ.

Изучение электрокинетического потенциала различных бакте­риальных клеток дало возможность установить, что они делятся на две группы. К первой группе относятся бактерии, в клеточной мембране которых солюбилизированы белки, и поэтому их потенциал зависит от рН среды. Ко второй - бактерии, -потенциал которых практически не зависит от рН, так как в их клеточной мембране солюбилизированы преимущественно полисахариды.

Метод электрофореза позволяет разделять белки, аминокис­лоты и другие системы на отдельные фракции, пользуясь раз­личием в скорости движения частиц дисперсной фазы в электрическом поле.

Все мелкопористые ткани живого организма - костная ткань, кожный покров, клеточные мембраны, кровеносная и лимфа­тическая системы - относятся к связнодисперсным (капиллярным) системам.

Электроосмосом называется направленное движение дис­персионной среды (жидкости) в капиллярной системе под действием электрического тока.

В процессе электроосмоса стенки капилляров являются не­подвижной фазой, несущей заряд адсорбированных потенциал-определяющих ионов, а дисперсионная среда - подвижной фазой (рис. 27.18). Направленное движение дисперсионной среды под действием электрического поля обусловлено наличием в ней подвижных противоионов диффузного слоя, которые движутся к противоположно заряженному электроду, увлекая за собой дисперсионную среду. Количество жидкости, протекающее че­рез капиллярную систему в единицу времени при электроосмо­се, прямо пропорционально напряженности электричес­кого поля и величине элек­трокинетического потенци­ала, характеризующего дан­ную систему.

Рис. 27.18. Схема движения дисперсионной среды при элек­троосмосе

Одним из широко ис­пользуемых физиотерапев­тических методов лечения многих заболеваний является ионофорез, в основе которого лежит проникновение жидкостей, содержащих лечебные ионы и молекулы, через капиллярную систему кожного покрова под действием электрического поля. По существу - это явление электроосмоса.

В результате относительного перемещения дисперсной фазы и дисперсионной среды в дисперсных системах возникают по­тенциал седиментации (оседания) и потенциал течения.

Потенциалом седиментации называется разность по­тенциалов, возникающая при оседании частиц дисперсной фазы в жидкой дисперсионной среде.

Возникновение потенциала седиментации объясняется тем, что при оседании частиц дисперсной фазы нижние слои дис­персной системы приобретают заряд этих частиц, а верхние слои, обогащенные противоионами диффузной части ДЭС, при­обретают заряд противоионов (рис. 27.19, а). Возникновение потенциала седиментации можно рассматривать как явление, противоположное электрофорезу.

Потенциалом течения называется разность потенциа­лов, возникающая на концах капиллярной системы при протекании через систему жидкой дисперсионной среды.

Возникновение потенциала течения объясняется тем, что при движении через капиллярную систему жидкая дисперсионная среда увлекает за собой подвижные противоионы диффузного слоя, вследствие чего на конце капиллярной системы накапли­вается заряд, имеющий знак противоионов (рис. 27.19, б). На другом же конце возникает заряд противоположного знака за счет образовавшегося избытка потенциалопределяющих ионов. Возникновение потенциала течения можно рассматривать как явление, противоположное электроосмосу.

При сокращениях сердечной мышцы (миокарда) кровь протал­кивается через капиллярную систему, что приводит к

Рис. 27.19. Схемы возникновения потенциала седиментации (а) и потенциала течения (б)

возникновению потенциала течения. Таким образом, потенциал течения вно­сит свой вклад в суммарный эффект электрических характери­стик работы сердца и кровеносных сосудов, регистрируемых при снятии электрокардиограмм.

Использование методов электроосмоса и потенциала течения дает возможность определить заряд поверхности костной ткани и других пористых или волокнистых биологических структур.