Elettrocinesi: Presentazione, storia e teoria

Elettrocinesi è lo studio del moto delle particelle e chimiche che risultano da trasformazione o produrre una differenza di potenziale elettrico. (Una differenza di potenziale elettrico può essere pensato come una misura di aumento o diminuzione del lavoro necessario per spostare una particella tra due punti nello spazio quando particella che possiede una unità di carica elettrica). Una differenza di potenziale elettrico da sempre esistono tra due punti se questi due punti hanno diversa quantità di carica elettrica. Spese? Ci sono due tipi di spese: Spese negative e positive. La carica della molecola corrisponde alla differenza tra il numero di elettroni della specie chimica e possiede il numero possiede quando non viene caricata. Un aumento del numero di elettroni corrisponde ad una carica negativa, e una diminuzione del numero di elettroni corrisponde ad una carica positiva. Tutti i fenomeni elettrocinetici avvengono a causa del fatto che le particelle con cariche uguali si respingono l'un l'altro e quelli con cariche diverse sono attratti l'uno all'altro.

Elettrocinesi evoluto da studi di elettricità. Nel 18 ° secolo Louigi Galvani, anche se non era del tutto consapevole, ha studiato il trasporto attraverso la membrana cellulare in possesso di una differenza di potenziale. Galvanico scoperto che i muscoli delle gambe di rana contraevano in presenza di una fonte di carica elettrica o quando il muscolo è stata toccata da un metallo. Alessandro Volta fu il primo a interpretare correttamente risultato Galvani sottolineando che la contrazione è il risultato di un cambiamento in esterni differenze di potenziale. Voltas dimostrato che una differenza di potenziale potrebbe verificarsi tra due metalli diversi immersi in una soluzione di elettrolita, e all'inizio del 19 ° secolo, aveva costruito la prima batteria. Erano i primi in quel secolo che Michael Faraday era in grado di mostrare la relazione tra la quantità di elettricità prodotta e la quantità di sostanze chimiche che reagiscono ad un elettrodo.

Con la parte fine del 19 ° secolo, era noto che le soluzioni potrebbero condurre elettricità. Fu in questo periodo che Svante August Arrhenius proposto il concetto di ioni elettricamente carichi come molecole o atomi, e che era di queste specie che erano responsabili di una capacità di soluzioni per sostenere una corrente elettrica. Arrhenius proposto che le molecole dissociano in misura maggiore o minore in ioni. Un equilibrio si stabilisce tra le molecole neutre e gli ioni. La teoria di Arrhenius si è rivelato valido per molecole che si dissociano completamente e che di conseguenza producono soluzioni di elettroliti forti.

Nel 1923, Peter Debye ed Erich Huckel formulato una teoria soddisfacente per elettrolita forte. Una conseguenza importante della loro teoria è la loro idea di un'atmosfera ionica. Il Debye-Huckel teoria è valida solo per soluzioni diluite ionici. La ricerca teorica da quando hanno sviluppato la loro teoria si è concentrata sul comportamento di soluzioni sempre più concentrate di ioni. A causa della natura complessa del problema e il gran numero di particelle il cui movimenti devono essere rispettate, questi studi teorici riguardano la modellazione sofisticato dei computer. La causa fondamentale del comportamento di questi sistemi, tuttavia rimane la stessa; molecole con cariche diverse attraggono l'un l'altro, mentre cariche uguali si respingono l'un l'altro.

Gli effetti di carica e differenza di potenziale sono spesso vissuto da persone che prima a piedi sul tappeto e poi tocca una maniglia. Elettroni in eccesso si accumulano sul girello tappeto, che fa sì che la persona da carico negativamente e di conseguenza una differenza di potenziale esistente tra il girello e la maniglia della porta. Il potenziale è la causa sottostante per il flusso di elettroni dalla persona alla maniglia, che è, per lo shock elettrico. Un potenziale che diventa più positivo in una data direzione impedisce il movimento in quella direzione di particelle con una carica positiva ed accelera il movimento delle particelle con carica negativa.

Il movimento di particelle cariche in soluzione è importante. Ad esempio, l'oceano contiene atomi e molecole cariche. Molecole o atomi elettricamente cariche sono chiamate ioni. Gli ioni con carica negativa si chiamano anioni e ioni con carica positiva si chiamano cationi. Una soluzione contenente ioni viene chiamato un elettrolita. Per fare un elettrolita è semplice come sale dissoluzione in acqua pura. Alcune delle sale dissocia in ioni.

Di solito, le molecole in soluzione si muovono in modo casuale. Il fatto che le soluzioni elettrolitiche contengono ioni permette un ordinamento del moto molecolare. È noto che la soluzione elettrolitica elettricità condotta. Elettricità sono gli oneri trasportati da ioni in presenza di un campo elettrico. Questo campo può essere pensato come imporre una differenza di potenziale attraverso la soluzione, che pone un tipo di ordine sul movimento ionico, nel senso che gli ioni si muovono lungo la direzione del campo. Gli anioni verso l'estremità positiva se la differenza di potenziale, ed i cationi verso il negativo della differenza di potenziale. La velocità degli ioni e di conseguenza l'aumento della corrente elettrica con la forza del campo elettrico.

Una differenza di potenziale elettrico si trova comunemente in situazioni in cui due diverse fasi di differenti composizioni chimiche sono in contatto. Un'interfaccia separa le due fasi e la differenza di potenziale elettrico può essere realizzato attraverso una separazione di carica tale che un lato dell'interfaccia è caricato positivamente e l'altro lato è carico negativamente, una fase potrebbe essere un metallo e l'altro potrebbe essere una soluzione acquosa contenente molecole sia positivamente che negativamente cariche. Così, elettrocinesi è anche lo studio delle reazioni elettrochimiche, cioè, reazioni che si verificano a superfici elettricamente cariche.

Reazioni chimiche Electro avviene in celle elettrochimiche, che consistono in almeno due distinte conduttori di elettricità, chiamati elettrodi, che sono parzialmente immersi in una soluzione elettrolitica. L'interfaccia tra l'elettrodo e l'elettrolita è denominato interfaccia elettrochimica. Gli elettroni vengono trasferiti da molecole attraverso l'interfaccia elettrochimica ad uno degli elettrodi per mezzo di reazioni chimiche. Questo elettrodo è chiamato un anodo. Gli elettroni si muovono dall'anodo attraverso un circuito esterno di un secondo elettrodo, questo elettrodo è chiamato il catodo, e qui elettroni vengono trasferiti a molecole attraverso reazioni chimiche. La natura fondamentale del fenomeno elettrocinetico in un singolo elettrodo è indipendente dei processi che si verificano in altri elettrodi. A differenza dello studio delle celle elettrochimiche e batterie in cui la differenza di potenziale tra l'anodo e il catodo è importante, il fulcro della elettrocinesi è sui cambiamenti nel comportamento di processi che si verificano ad una superficie carica rispetto a variazioni della differenza di potenziale tra la superficie e l'elettrolita circostante.

Una quantità cui variazione rispetto alle variazioni dei potenziali elettrici attraverso l'interfaccia elettrochimica è importante misurare sia la quantità di energia elettrica prodotta per unità di tempo dalla reazione elettrodo. Questa quantità è uguale alla corrente elettrica che fluisce nel circuito esterno di un elettrodo. Il tasso generale di una reazione elettrodo può essere ottenuta dalla conoscenza della quantità di energia elettrica prodotta utilizzando una relazione stabilita da Michael Faraday del 19 ° secolo. Faraday scoperto che la quantità di energia elettrica prodotta mediante una reazione di elettrodo per un periodo di tempo è proporzionale al numero di molecole che hanno reagito all'elettrodo durante lo stesso periodo di tempo.

Poiché la carica elettrica viene trasferito i tassi a cui le reazioni avvengono in avanti e all'indietro dipende dal potenziale elettrico tra gli elettrodi e gli elettroliti circostanti. Equilibrio chimico esiste quando la reazione di elettrodo in avanti ha la stessa velocità della reazione inversa. Il potenziale in cui esiste un equilibrio viene chiamato un potenziale di equilibrio. La differenza tra il valore effettivo del potenziale elettrico e il potenziale di equilibrio è chiamato sovratensione, e il valore del potenziale sopra fornisce una misura di quanto il sistema è dall'equilibrio.

La sequenza di reazioni elementari che si verificano durante la conversione dei reagenti ai prodotti è chiamato il meccanismo di reazione. Nei processi di varie reazioni elementari, il reagente è un intermedio per primo, la intermedio può poi essere convertito in un prodotto finale o ad un altro intermedio, che subisce successivamente reazione.

Il procedimento principale è da considerare il trasporto di molecole dalla massa del elettrolita ad una superficie caricata. La maggioranza di ioni che esistono in prossimità di una superficie caricata positivamente sono anioni. In media, il numero di anioni diminuisce, ed aumenta il numero di cationi. A distanze sufficientemente grandi dalle superfici cariche la soluzione è neutra. La regione in cui la soluzione ha una carica netta è chiamato un doppio strato. Un grande effetto causato dal doppio strato è l'influenza il trasporto di molecole verso la superficie caricata. Ad esempio, lo strato caricato negativamente doppio impedirà il movimento di un anione di una superficie caricata positivamente.

Le distribuzioni di carica e le eventuali differenze produrre effetti elettrocinetiche in soluzione, che sono simili a effetto del doppio strato. Nelle soluzioni contenenti ioni, anioni attirerà cationi come pure molecole neutre, che possiedono una parte carica positiva. Inoltre, cationi attrarre anioni e molecole con una parte che è caricata negativamente. Di conseguenza, uno ione in soluzione è circondato da un'atmosfera di carica opposta. Questa atmosfera ionico può essere pensato come un doppio strato. Il movimento dello ione centrale è rallentata a causa del doppio strato, poiché il doppio strato si muove con lo ione centrale. D'altra parte, se un campo elettrico viene applicato attraverso la soluzione, lo ione centrale si muoverà in una direzione e il doppio strato, essendo di carica opposta, si muovono nella direzione opposta. Questo effetto è noto come elettroforesi.

Ora, spostandosi verso la parte applicativa, l'esempio più visibile è evidenziato da corrosione dei metalli. La corrosione è il deterioramento di metalli e avviene attraverso reazioni chimiche in cui vi è reazione chimica. Esempio biologica comprende la miscelazione di cloro nel trattamento delle acque e liquami e inoltre utilizzato come reagente nella produzione di pesticidi e materie plastiche. Ospedali utilizzare elettroforesi per misurare le principali proteine ​​del plasma sanguigno, e elettroforesi viene impiegato anche in biochimica per separare le proteine ​​nei loro componenti (amminoacidi).

Riferimenti:

1) Feynman, Richard P. Robert B. Leighton, e sabbie Mathew. Il Feynman Lectures in Fisica vol. 2.

2) I. Smedley Stuart. L'interpretazione di conducibilità ionica a liquidi

3) Ostwals, Elettrochimica Wilhemn: Storia e teoria