Электроосмостық ағын: сұйықтың электр потенциалы арқылы қозғалуы. Химиялық талдау, капилляр электрофорезінде маңызды. Тарихы, қағидалары туралы ақпарат.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Электрлік потенциалға байланысты сұйықтықтың арна арқылы қозғалысы
Movement of liquid through a conduit due to electric potential
Химияда электроосмостық ағым (ЭОА, дефис қою міндетті емес; электроосмоз немесе электроэндосмозбен мағынасы бірдей) – кезекті материал, капиллярлық түтік, мембрана, микроканал немесе кез келген басқа сұйықтық арнасы арқылы сыртқы потенциал қолданылғанда туындайтын сұйықтың қозғалысы. Электроосмостық жылдамдықтар арнаның мөлшеріне тәуелді болмағандықтан, электрлік екі қабат арнаның сипаттамалық ұзындығынан әлдеқайда кіші болса, электроосмостық ағымның әсері шамалы болады. Электроосмостық ағым кішкентай арналарда ең маңызды болып табылады және химиялық бөлу техникаларының, әсіресе капиллярлық электрофорездің маңызды құралы болып табылады. Электроосмостық ағым табиғи сүзгіленбеген суда да, буферленген ерітінділерде де кездесуі мүмкін.
In chemistry, electro osmotic flow (EOF, hyphen optional; synonymous with electro osmosis or electro endosmosis) is the motion of liquid induced by an applied potential across a porous material, capillary tube, membrane, microchannel, or any other fluid conduit. Because electro osmotic velocities are independent of conduit size, as long as the electrical double layer is much smaller than the characteristic length scale of the channel, electro osmotic flow will have little effect. Electro osmotic flow is most significant when in small channels, and is an essential component in chemical separation techniques, notably capillary electrophoresis. Electro osmotic flow can occur in natural unfiltered water, as well as buffered solutions.
Тарих
Электроосмостық ағынды алғаш рет 1807 жылы Фердинанд Фридрих Рёсс (18 ақпан 1778 (Тюбинген, Германия) – 14 сәуір 1852 (Штутгарт, Германия)) Мәскеу физикалық-медициналық қоғамы алдындағы жарияланбаған лекциясында хабарлады; Рёсс электроосмостық ағын туралы алғашқы еңбегін 1809 жылы Мәскеу императорлық табиғатты зерттеушілер қоғамының естеліктерінде жариялады. Ол электр кернеуін қолдану арқылы балшық тығыны арқылы су ағызылатынын көрсетті. Балшық кремний және басқа минералдардың тығыз жиналған бөлшектерінен тұрады, ал су осы бөлшектер арасындағы тар кеңістіктер арқылы, тар шыны түтік арқылы ағатындай ағады. Электролит (ерітілген иондар бар сұйықтық) пен оқшаулағыш қатты дененің кез келген комбинациясы электроосмостық ағынды тудырады, бірақ су/кремний үшін бұл әсер ерекше күшті. Дегенмен, ағыс жылдамдығы әдетте секундына бірнеше миллиметрді ғана құрайды. Электроосмосты 1814 жылы ағылшын химигі Роберт Поррет кіші (1783–1868) тәуелсіз түрде ашты.
Electro osmotic flow was first reported in 1807 by Ferdinand Friedrich Reuss (18 February 1778 (Tübingen, Germany) – 14 April 1852 (Stuttgart, Germany)) in an unpublished lecture before the Physical Medical Society of Moscow; Reuss first published an account of electro osmotic flow in 1809 in the Memoirs of the Imperial Society of Naturalists of Moscow. He showed that water could be made to flow through a plug of clay by applying an electric voltage. Clay is composed of closely packed particles of silica and other minerals, and water flows through the narrow spaces between these particles just as it would through a narrow glass tube. Any combination of an electrolyte (a fluid containing dissolved ions) and an insulating solid would generate electro osmotic flow, though for water/silica the effect is particularly large. Even so, flow speeds are typically only a few millimeters per second. Electro osmosis was discovered independently in 1814 by the English chemist Robert Porrett Jr. (1783–1868).
Себеп
Электроосмотикалық ағын ерітіндідегі таза жылжымалы электр зарядына электр өрісінің әсер етуінен туындайтын Кулон күшімен шақырылады. Қатты бет пен электролит ерітіндісі арасындағы химиялық тепе-теңдік көбінесе интерфейстің таза тұрақты электр зарядына ие болуына алып келеді, соның салдарынан интерфейске жақын аймақта электрлік қос қабат немесе Дебье қабаты деп аталатын жылжымалы иондар қабаты қалыптасады. Сұйықтыққа электр өрісі қолданғанда (әдетте кіріс және шығыс тесіктеріне орналастырылған электродтар арқылы), электрлік қос қабаттағы таза заряд нәтижеде пайда болған Кулон күшінің әсерімен қозғалады. Осының нәтижесінде туындайтын ағын электроосмотикалық ағын деп аталады.
Electroosmotic flow is caused by the Coulomb force induced by an electric field on net mobile electric charge in a solution. Because the chemical equilibrium between a solid surface and an electrolyte solution typically leads to the interface acquiring a net fixed electrical charge, a layer of mobile ions, known as an electrical double layer or Debye layer, forms in the region near the interface. When an electric field is applied to the fluid (usually via electrodes placed at inlets and outlets), the net charge in the electrical double layer is induced to move by the resulting Coulomb force. The resulting flow is termed electroosmotic flow.
Физика
Отын жадырақтарында электроосмоз протон алмасу мембранасы (PEM) арқылы қозғалатын протондарды бір жақтан (анодтан) екінші жаққа (катодқа) су молекулаларын бірге сүйреуге себеп болады.
In fuel cells, electro osmosis causes protons moving through a proton exchange membrane (PEM) to drag water molecules from one side (anode) to the other (cathode).
Қан тамырлары өсімдіктерінің биологиясы
Тамырлы өсімдік биологиясында электроосмоз полярлы сұйықтықтардың флоэма арқылы қозғалысын түсіндірудің балама немесе қосымша жолы ретінде қолданылады. Бұл массалық ағын гипотезасында және басқа теорияларда келтірілген когезия-кернеу теориясынан, мысалы цитоплазмалық ағын сияқты нәрселерден өзгеше. Қауысты жасушалар иондарды (K+) сырғанау түтікшелерінен "циклдік" түрде алып тастауға қатысады, және олардың сырғанау табақшалары арасындағы алып тастау орнына параллель секреция жасауы сырғанау табақша элементтерінің поляризациясына және қысымның потенциалдық айырмашылығына әкеледі. Соның салдарынан полярлы су молекулалары және басқа да еріген заттар флоэма арқылы жоғары қарай жылжиды.
In vascular plant biology, electro osmosis is also used as an alternative or supplemental explanation for the movement of polar liquids via the phloem that differs from the cohesion tension theory supplied in the mass flow hypothesis and others, such as cytoplasmic streaming. Companion cells are involved in the "cyclic" withdrawal of ions (K+) from sieve tubes, and their secretion parallel to their position of withdrawal between sieve plates, resulting in polarisation of sieve plate elements alongside potential difference in pressure, and results in polar water molecules and other solutes present moved upward through the phloem.
Кемшіліктер
Электролитте электр өрісін сақтау үшін анодта және катодта Фарадей реакциялары жүруі қажет. Әдетте, бұл судың электролизі болып табылады, ол сутек пероксиді, сутек иондары (қышқыл) және гидроксид (негіз), сондай-ақ оттегі мен сутек газ көпіршіктерін тудырады. Сутек пероксиді және/немесе pH өзгерістері биологиялық жасушалар мен ақуыздар сияқты биомолекулаларға зиян келтіруі мүмкін, ал газ көпіршіктері микрофлюидтік жүйелерді бітеуі мүмкін. Бұл мәселелерді Фарадей реакцияларын өзінен өткізе алатын, электролизді күрт азайтатын конъюгацияланған полимерлер сияқты баламалы электрод материалдарын қолдану арқылы шешуге болады.
Maintaining an electric field in an electrolyte requires Faradaic reactions to occur at the anode and cathode. This is typically electrolysis of water, which generates hydrogen peroxide, hydrogen ions (acid) and hydroxide (base) as well as oxygen and hydrogen gas bubbles. The hydrogen peroxide and/or pH changes generated can adversely affect biological cells and biomolecules such as proteins, while gas bubbles tend to "clog" microfluidic systems. These problems can be alleviated by using alternative electrode materials such as conjugated polymers which can undergo the Faradaic reactions themselves, dramatically reducing electrolysis.