Открытие электроосмоса и электрофореза

Опыты с вольтовым столбом приводили все к новым и новым открытиям. Одно из них было сделано в ходе экспериментов, которые проводили университетские физики на берегу Москвы-реки. Пользуясь электрической машиной и вольтовым столбом, профессор Петр Иванович Страхов (1757-1813) исследовал, как проходит электрический ток через речную воду и влажную землю. Опыты убедили Страхова в том, что гальваническое электричество, полученное с помощью вольтова столба, и электричество, получаемое с помощью электростатических машин, тождественны. Эту мысль Страхов проводит в своем учебнике "Краткое начертание физики", вышедшем в 1810 г. Как он пришел к ней? Прямых оснований для нее не было ни в исходных данных Вольты, ни в последующих опытах по электролизу. Заметим также, что в то время не имелось иных указателей электрического тока, кроме физиологических, - реакций лапок лягушки, например, или болезненных ощущений в пальцах, которыми исследователь касался оголенных концов столба и электрической машины. Были, правда, еще электроскопы.

Страхов занимает особое место в истории Московского университета. Окончив его, он некоторое время работал секретарем поэта М.М. Хераскова, затем стал профессором университета, а с 1805 г. был его ректором. Он организовал в университете физический кабинет. Так же как В.В. Петров в Петербурге, Страхов ввел в Москве физический практикум для студентов. Словом, начало экспериментальным работам по физике в Московском университете было положено им.

Так вот, выполняя опыты на берегу Москвы-реки, Страхов обнаружил, что, если долго пропускать электрический ток через грунт, земля вокруг положительного полюса делается сухой и прохождение тока прекращается. К сожалению, большая часть рукописей, содержащих результаты его экспериментальных и теоретических работ, погибла при пожаре Москвы в 1812 г., сам он вскоре умер, и все идеи, к которым пришел этот незаурядный ученый, так и остались неизвестными.

Эксперименты Страхова продолжил его коллега Фердинанд Фридрихович Рейсе (1778-1852), занявшийся изучением действия гальванического тока на растворы. Рейсе обнаружил, что разложение "межполюсной жидкости" на составные части под влиянием гальванического тока наблюдается всегда, каково бы ни было расстояние между полюсами. "Этот интересный результат, - писал Рейсе, - неизвестный до настоящего времени, я добыл из опытов, которые я производил на берегу Москвы-реки и на земле одного сада. Газы выделялись всегда с одинаковой скоростью на конце полюсов маленького элемента, когда они находились в наполненном водой стакане на расстоянии только одного дюйма или когда они были удалены друг от друга слоем воды в двести шагов или слоем влажной земли в десять, двадцать или больше аршин".

Механизм электролиза Рейсе объяснял тем, что "одна из двух составных частей молекулы, разлагаемой действием гальванического тока, переносится от одного полюса к другому через межполюсную жидкость". Если между полюсами поместить какое-либо постороннее тело, например землю, то она не будет препятствовать прохождению тока и разложению воды.

В 1807г. Рейсе модифицировал опыт Никольсона по разложению воды. Чтобы добиться разделения продуктов электролиза, Рейсе заполнил толченым кварцем среднюю часть U-образного электролизера-трубки. Он заметил, что приложение внешнего большого напряжения к электродам приводит к перемещению воды в трубке в сторону отрицательного полюса. При продолжительном пропускании тока устанавливалась постоянная и значительная (до 20 сантиметров) разность уровней жидкости. Перенос жидкости под действием внешнего электрического тока, наблюдавшийся в пористых телах, получил название электроосмоса.

Схема опытов Рейсса по электроосмосу и электрофорезу

Рейсе продолжал видоизменять опыты по электролизу. Он вставлял во влажную глину две стеклянные трубки, заполненные водой, в трубки погружал электроды. После включения тока наряду с электроосмосом наблюдалось еще одно новое явление - движение оторвавшихся частичек глины в противоположном направлении - к положительному полюсу. Явление перемещения частиц твердой фазы в жидкости под влиянием тока было названо электрофорезом.

Рейсе сделал сообщение в университете об открытых им явлениях. Через два года вышли его статьи, в которых были подробно описаны электроосмос и электрофорез. В этих явлениях проявлялась связь между электрическим током и относительным перемещением твердой и жидкой фазы. Понимание такой связи было, однако, неполным, так как явления, противоположные электроосмосу и электрофорезу по характеру причинно-следственной связи, то есть возникновение электрического потенциала при движении жидкости или твердых частиц, были открыты лишь спустя полвека.

Эффект, противоположный электроосмосу, обнаружил Георг Квинке (1834-1924), профессор Берлинского университета. В его опытах при протекании жидкости через пористую диафрагму появлялась разность потенциалов между двумя электродами, помещенными по разным сторонам диафрагмы. Явление получило название потенциала течения. Тогда же (а именно в 1859г.) Квинке предположил, что поверхность твердого тела заряжается одним знаком, а прилегающий слой жидкости - другим. Эта схема помогала объяснить относительное движение жидкости и частиц твердой фазы под действием тока, а также появление потенциала при протекании жидкости через пористую диафрагму. В дальнейшем эта идея привела к открытию удивительной границы на разделе фаз - двойного электрического слоя.

Схема возникновения потенциалов течения и оседания

Возникновение же разности потенциалов под действием механического движения твердых частиц в жидкости наблюдал в 1880г. немецкий физик Фридрих Дорн (1848-1916). Оно было названо эффектом Дорна, или потенциалом оседания.

В 1861г. английский исследователь Томас Грэм (1805-1869), один из основателей коллоидной химии, применил диализ для очистки коллоидных систем. Очищаемый раствор он наливал в сосуд, который был отделен от другого сосуда с чистой водой мембраной из пергамента, целлюлозы, коллодия или керамическим фильтром. В результате диффузии все растворимые низкомолекулярные компоненты удалялись через мембрану во внешний раствор. Как выяснилось, диализ существенно ускоряется благодаря наложению внешнего электрического тока. Успехи химии белков и полимеров в немалой степени связаны с применением электродиализа для выделения ионов из соответствующих растворов. Электродиализ используют для опреснения морской воды, очистки речной и озерной воды, очистки промышленных стоков, шахтной и рудничной воды, фракционирования вакцин, сывороток, для удаления солей из суспензий, паст, минералов. Двухкамерные, трехкамерные, многокамерные электродиализаторы имеют сложную конструкцию. Но схема опреснения морской воды, очистки речной воды либо технологических вод в принципе проста. Подлежащую очистке воду подают в среднюю камеру электродиализатора. В электродные пространства через мембраны поступают ионы: катионы - в катодную камеру, анионы - в анодную. Очищенная вода постепенно переливается в другую камеру, где подвергается новой очистке. Особенно эффективен электродиализ с использованием ионитовых мембран. В зависимости от знака электрического заряда на их поверхности эти мембраны пропускают преимущественно или катионы или анионы.

Через семьдесят лет, после того как Рейсе открыл электрокинетические явления, электроосмос был применен на практике для сушки торфа, а затем и для сушки древесины. С 60-х годов 20 века электроосмос используют для сушки и укрепления грунтов при постройке зданий, для борьбы с оползнями при строительстве плотин, для понижения уровня грунтовых вод, для ремонта железнодорожного полотна и осушки зданий. Не остается без дела и электрофорез, служащий для разделения сложных органических и высокомолекулярных компонентов раствора. Он находит применение, когда появляется необходимость в получении ровных и прочных покрытий на металлах, которые для этой цели погружают в качестве электродов в суспензию. Таковы, например, декоративные и антикоррозионные покрытия из лакокрасочных композиций, электроизоляционные пленки.

В земной коре через грунты и горные породы текут подземные воды, а им сопутствуют так называемые потенциалы течения, которыми пользуются геофизики для поиска полезных ископаемых, картографии подземных вод и отыскания путей просачивания воды через плотины. Потенциалы течения возникают при транспортировке жидкого топлива, при заполнении резервуаров, цистерн, нефтеналивных судов, бензобаков самолетов. Когда по трубам течет топливо, на концах трубопроводов возникают достаточно высокие разности потенциалов, из-за которых на нефтеналивных судах случались грандиозные пожары. Заземление трубопроводов и приемных резервуаров, к сожалению, не устраняет опасности, а способствует еще большему разделению обкладок двойного электрического слоя. Приходится добавлять в горючее вещества, увеличивающие токи утечки. Есть еще потенциалы оседания - причина грозовых разрядов в атмосфере.

Широко пользуются электрохимическими методами медицина. Когда кровь течет через капилляры кровеносной системы, возникают потенциалы течения, являющиеся одним из источников биопотенциалов. Установлено, к примеру, что один из пиков электрокардиограммы обусловлен возникновением потенциалов течения крови в коронарных сосудах сердца. Эти потенциалы измеряют в кардиологических клиниках и лабораториях. В медицине широко применяют электрофорез. Он используется для разделения белков, аминокислот, антибиотиков, ферментов, антител, для диагностики и контроля за ходом болезни. Распространен и ионофорез - метод введения лекарственных веществ в организм через кожу постоянным током. Известный аппарат "искусственная почка", к которому подключают больного при острой почечной недостаточности, основан на явлении электродиализа. Кровь протекает в узком зазоре между двумя мембранами, омываемыми снаружи физиологическим раствором. Благодаря большой площади мембран и наложенному электрическому полю из крови удаляются шлаки - продукты обмена и распада тканей.