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elektrokinetische Erscheinungen

Elektrodynamik und Elektrotechnik, vorwiegend auf den Fall flüssig / fester Mehrphasensysteme mit beweglichen Ionen oder Elektronen beschränkte Bezeichnung für solche Transporterscheinungen, die auf elektrischen Potentialdifferenzen beruhen. Die dabei auftretenden elektrischen Ströme sind im Gegensatz zur Elektrolyse unipolar. An der Grenzfläche entsteht eine elektrische Doppelschicht. Diese Doppelschicht kann aufgefasst werden als ein innerer, mit der festen Phase starr verbundener Teil und ein äusserer, der durch Reibung bei der Bewegung abgestreift werden kann. Es treten vor allem zwei Situationen auf:

1) Die feste Phase ist fixiert, und die flüssige Phase bewegt sich hindurch, z.B. eine Elektrolytlösung durch eine poröse Membran oder eine Kapillare. In diesem Fall gibt es eine Druckdifferenz Dp und eine Potentialdifferenz Df über die Membran. Für den Materiefluss J und den elektrischen Strom I durch die Membran gilt bei nicht zu grossen Werten von Dp und Df: J = aDp + bDf, I = b*Dp + sDf (a: Permeabilität, b: elektroosmotische Permeabilität, b*: Strömungsleitfähigkeit, s: elektrische Leitfähigkeit, wegen der thermodynamischen Onsagerschen Reziprozitätsbeziehungen gilt b = b*). Dp ¹ 0 bedeutet hier, dass die Flüssigkeit durch die Membran gepresst wird, wobei der äussere Teil der Doppelschicht durch die innere Reibung der Flüssigkeit mitgerissen wird; in diesem Fall wird I Strömungsstrom genannt. Ist I = 0, heisst das sich einstellende Potential Df = - (b / s)Dp Strömungspotential. Ist Dp = 0 (und Df ¹0), so wird von Elektroosmose gesprochen. Das anliegende Potential wirkt dann auf den äusseren Teil der Doppelschicht, der durch die innere Reibung die Flüssigkeit mit sich reisst. Wenn sich bei gegebenem Df ein stationäres Gleichgewicht einstellt, d.h. J = 0, dann heisst der entsprechende Druck Dp = -(b / a)Df elektroosmotischer Druck. Er kann beispielsweise als Steighöhe in einem U-Rohr gemessen werden. Es gilt die Saxénsche Beziehung (Df / Dp)I=0 = -(J / I)Dp=0. Dabei erfolgt eine Bewegung von Teilchen, die Ladungen infolge einer Ionisation oder Ionenadsorption mit Ausbildung einer elektrochemischen Doppelschicht tragen, relativ zum ruhenden Dispersionsmittel.

2) Die feste Phase besteht aus Partikeln, die in einer nichtleitenden Flüssigkeit suspendiert sind, d.h. sie ist die disperse Phase und die Flüssigkeit das Dispersionsmittel. Diese Konstellation findet man in einem dispersen System oder Kolloid (Dispersion), z.B. Harn, Speichel oder Leim. Wird an solch ein System ein elektrisches Potential angelegt oder bewegen sich die Partikel aufgrund äusserer Kräfte (z.B. der Schwerkraft), so tritt Elektrophorese auf. Auch hier wird der äussere Teil der die Partikel umgebenden Doppelschicht abgestreift. Dadurch erhalten die bewegten Partikel eine effektive Ladung, was zu einem elektrophoretischen Strom führt; das disperse System erhält eine elektrophoretische Leitfähigkeit. Wirkt auf die Partikel eine äussere Kraft, so tritt ein elektrophoretisches Potential oder Sedimentationspotential auf, das bei Gasdispersionen, z.B. Aerosolen, als Aufrahmpotential bezeichnet wird. Das effektive Potential, das auf die sich bewegenden Partikel wirkt, wird als elektrokinetisches oder Zeta-Potential (z-Potential) bezeichnet.

Praktische Bedeutung haben vor allem die Elektrophorese als Trennverfahren und in der Lackierungstechnologie und die Elektroosmose besonders zur Entwässerung und Verfestigung von Baugründen. Strömungspotentiale können als Gefahrenquelle auftreten, wenn sie - in schlechtleitenden Systemen - hohe Werte annehmen und damit zur Funkenbildung Anlass geben können, z.B. beim Strömen organischer Flüssigkeiten durch Schläuche.

 

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