Відкриття элетроосмоса та електрофорезу

Досліди з вольтовим стовпом приводили все до нових і нових відкриттів. Одне із них було зроблено в ході експериментів, які проводили університетські фізики на березі Москви-ріки. Користуючись електричної машиною і вольтовим стовпом, професор Петро Іванович Страхів (1757-1813) досліджував, як проходить електричний струм через річкову воду і вологу землю. Досліди переконали Страхова в тому, що гальванічне електрика, отримане з допомогою вольтова стовпа, і електрика, одержуване з допомогою електростатичних машин, тотожні. Цю думку Страхів проводить у своєму підручнику «Короткий нарис фізики», опублікованій в 1810 р. він прийшов до неї? Прямих підстав для неї не було ні у вихідних даних Вольти, ні в подальших дослідах з електролізу. Зауважимо також, що в той час не було інших покажчиків електричного струму, крім фізіологічних, — реакцій лапок жаби, наприклад, або хворобливих відчуттів в пальцях, якими дослідник стосувався оголених кінців стовпа і електричної машини. Були, правда, ще электроскопы.

Страхів займає особливе місце в історії Московського університету. Закінчивши його, він деякий час працював секретарем поета М. М. Хераскова, потім став професором університету, а з 1805 р. був його ректором. Він організував в університеті фізичний кабінет. Так само як В. о. Петров в Петербурзі, Страхів ввів в Москві фізичний практикум для студентів. Словом, початок експериментальним роботам з фізики в Московському університеті було покладено їм.

Так от, виконуючи досліди на березі Москви-ріки, Страхів виявив, що, якщо довго пропускати електричний струм через грунт, земля навколо позитивного полюса робиться сухою і проходження струму припиняється. На жаль, більша частина рукописів, що містять результати експериментальних і теоретичних робіт, загинула під час пожежі Москви у 1812 р., сам він незабаром помер, і всі ідеї, до яких прийшов цей непересічний вчений, так і залишилися невідомими.

Експерименти Страхова продовжив його колега Фердинанд Фрідріхович Рейсі (1778-1852), зайнявся вивченням дії гальванічного струму на розчини. Рейсі виявив, що розкладання «межполюсной рідини» на складові частини під впливом гальванічного струму спостерігається завжди, якою б не була відстань між полюсами. «Цей цікавий результат, — писав Рейсі, — невідомий до цього часу, я видобув з дослідів, які я виробляв на березі Москви-ріки та на землі одного саду. Гази, що виділялися завжди з однаковою швидкістю на кінці полюсів маленького елемента, коли вони перебували в наповненому водою склянці на відстані лише одного дюйма або коли вони були віддалені один від одного шаром води в двісті кроків або шаром вологої землі в десять, двадцять чи більше аршин».

Механізм електролізу Рейсі пояснював тим, що «одна з двох складових частин молекули, розкладається дією гальванічного струму, переноситься від одного полюса до іншого через межполюсную рідина». Якщо між полюсами помістити будь-яке стороннє тіло, наприклад землю, то вона не буде перешкоджати проходженню струму і розкладання води.

У 1807г. Рейсі модифікував досвід Никольсона з розкладання води. Щоб домогтися поділу продуктів електролізу, Рейсі заповнив товченим кварцом середню частину U-образного електролізера-трубки. Він зауважив, що програма зовнішнього великої напруги до електродів призводить до переміщення води в трубці в бік негативного полюса. При тривалому пропусканні струму встановлювалася постійна і значна (до 20 сантиметрів) різниця рівнів рідини. Перенесення рідини під дією зовнішнього електричного струму, що спостерігався в пористих тілах, одержав назву електроосмосу.

Схема дослідів Рейсса за электроосмосу і електрофорезу
Схема дослідів Рейсса за электроосмосу і електрофорезу

Рейсі продовжував видозмінювати досліди з електролізу. Він вставляв у вологу глину дві скляні трубки, заповнені водою, в трубки занурював електроди. Після включення струму поряд з електроосмос спостерігалося ще одне нове явище — рух відірвалися частинок глини в протилежному напрямку — до позитивного полюса. Явище переміщення частинок твердої фази в рідині під впливом струму було названо електрофорезом.

Рейс зробив повідомлення в університеті про відкриті ним явища. Через два роки вийшли друком його статті, в яких докладно описані електроосмос і електрофорез. В цих явищах виявлялася зв'язок між електричним струмом і відносним переміщенням твердої і рідкої фази. Розуміння такого зв'язку було, однак, неповним, так як явища, протилежні электроосмосу і електрофорез за характером причинно-наслідкового зв'язку, тобто виникнення електричного потенціалу при русі рідини або твердих частинок, були відкриті лише через півстоліття.

Ефект, протилежний электроосмосу, виявив Георг Квінке (1834-1924), професор Берлінського університету. У його дослідах при протіканні рідини через пористу діафрагму з'являлася різниця потенціалів між двома електродами, поміщеними по різні боки діафрагми. Явище отримало назву потенціалу течії. Тоді ж (а саме в 1859г. ) Квінке припустив, що поверхня твердого тіла заряджається одним знаком, а прилеглий шар рідини — іншим. Ця схема допомагала пояснити відносне рух рідини та частинок твердої фази під дією струму, а також поява потенціалу при протіканні рідини через пористу діафрагму. Надалі ця ідея привела до відкриття дивовижної кордону на розділі фаз подвійного електричного шару.

Схема виникнення потенціалів течії і осідання
Схема виникнення потенціалів течії і осідання

Виникнення ж різниці потенціалів під дією механічного руху твердих частинок в рідині спостерігав у 1880р. німецький фізик Фрідріх Дорн (1848-1916). Воно було названо ефектом Дорна, чи потенціалом осідання.

В 1861р. англійський дослідник Томас Грем (1805-1869), один із засновників колоїдної хімії, застосував діаліз для очищення колоїдних систем. Очищається розчин він наливав у посудину, який був відокремлений від іншої судини з чистою водою мембраною з пергаменту, целюлози, колодію або керамічним фільтром. В результаті дифузії всі розчинні низькомолекулярні компоненти віддалялися через мембрану у зовнішній розчин. Як з'ясувалося, діаліз суттєво прискорюється завдяки накладання зовнішнього електричного струму. Успіхи хімії білків і полімерів неабиякою мірою пов'язані з застосуванням електродіалізу для виділення іонів з відповідних розчинів. Електродіаліз використовують для опріснення морської води, очищення річкової та озерної води, очищення промислових стоків, шахтної та рудничної води, фракціонування вакцин, сироваток, для видалення солей з суспензій, паст, мінералів. Двокамерні, трикамерні, багатокамерні электродиализаторы мають складну конструкцію. Але схема опріснення морської води, очищення річкової води або технологічних вод в принципі проста. Підлягає очищенню воду подають в середню камеру электродиализатора. В електродні простору через мембрани надходять іони: катіони — у катодну камеру, аніони — в анодний. Очищена вода поступово переливається в іншу камеру, де піддається нової очищення. Особливо ефективний електродіаліз з використанням іонітових мембран. В залежності від знаку електричного заряду на їх поверхні ці мембрани пропускають переважно або катіони або аніони.

Через сімдесят років після того, як Рейсі відкрив електрокінетичні явища, електроосмос був застосований на практиці для сушіння торфу, а потім і для сушіння деревини. З 60-х років 20 століття електроосмос використовують для сушіння й зміцнення грунтів при спорудженні будівель, для боротьби із зсувами при будівництві гребель, для пониження рівня грунтових вод, для ремонту залізничного полотна і осушення будівель. Не залишається без діла і електрофорез, службовець для розділення складних органічних і високомолекулярних компонентів розчину. Він знаходить застосування, коли з'являється необхідність в отриманні рівних і міцних покриттів на металах, які для цієї мети занурюють в якості електродів в суспензію. Такі, наприклад, декоративні та антикорозійні покриття з лакофарбових композицій, електроізоляційні плівки.

У земній корі через ґрунти і гірські породи течуть підземні води, а їм супроводжують так звані потенціали течії, якими користуються геофізики для пошуку корисних копалин, картографії підземних вод і відшукання шляхів просочування води через дамби. Потенціали течії виникають при транспортуванні рідкого палива, при заповненні резервуарів, цистерн, нафтоналивних суден, бензобаків літаків. Коли по трубах тече паливо, на кінцях трубопроводів виникають досить високі різниці потенціалів, з-за яких на нафтоналивних суднах траплялися грандіозні пожежі. Заземлення трубопроводів та прийомних резервуарів, на жаль, не усуває небезпеки, а сприяє ще більшому поділу обкладок подвійного електричного шару. Доводиться додавати в пальне речовини, що збільшують струми витоку. Є ще потенціали осідання — причина грозових розрядів в атмосфері.

Широко користуються електрохімічними методами медицина. Коли кров тече через капіляри кровоносної системи, виникають потенціали течії, які є одним із джерел біопотенціалів. Встановлено, наприклад, що один з піків електрокардіограми обумовлений виникненням потенціалів течії крові в коронарних судинах серця. Ці потенціали вимірюють у кардіологічних клініках і лабораторіях. У медицині широко застосовують електрофорез. Він використовується для поділу білків, амінокислот, антибіотиків, ферментів, антитіл, для діагностики і контролю за перебігом хвороби. Поширений і іонофорез — метод введення лікарських речовин в організм через шкіру постійним струмом. Відомий апарат «штучна нирка», до якого підключають хворого при гострій нирковій недостатності, заснований на явищі електродіалізу. Кров протікає у вузькому зазорі між двома мембранами, омиваними зовні фізіологічним розчином. Завдяки великій площі мембран і накладеному електричному полю з крові видаляються шлаки — продукти обміну і розпаду тканин.