114
Chương 6
ĐIỆN ĐỘNG HỌC
I. Các hiện tượng điện động học.
Các tế bào, các tổ chức sống, các cơ quan của hệ thống sống
là một hệ keo dị thể phức tạp bao gồm nhiều pha khác nhau. Do tác
động của điện trường ngoài không đổi đã làm xuất hiện sự chuyển
động tương đối giữa các pha trong hệ, ngược lại nếu các pha có thành
phần chất hoà tan khác nhau thì dưới chuyển động cơ học của các ion
cũng sẽ tạo nên trong hệ một hiệu điện thế nào đó. Các hiện tượng
điện xuất hiện trong quá trình này được gọi là các hiện tượng điện
động và chúng được phân thành các loại sau đây như: điện di, điện
thẩm, điện thế chảy, điện thế lắng...
Năm 1809 Reis là người đầu tiên phát hiện thấy các hiện
tượng điện động học khi nghiên cứu chuyển động của các hạt đất sét
dưới tác dụng của dòng điện một chiều. Qua thí nghiệm của mình,
Reis thấy rằng các hạt keo mang điện tích cũng có khả năng vận
chuyển được trong điện trường, đồng thời cùng với quá trình biến đổi
đó thì môi trường phân tán cũng sẽ chuyển động theo. Như vậy trong
thí nghiệm trên, Reis đã phát hiện ra hai hiện tượng đặc biệt quan
trọng, là khi các hạt tích điện sẽ dịch chuyển dưới tác dụng của điện
trường ngoài, đó là hiện tượng điện di hay điện thẩm.
1. Điện thẩm.
Là sự chuyển động của các môi trường phân tán tới phía điện
cực cùng dấu với diện tích bề mặt của pha phân tán. Dựa vào sự dịch
chuyển của các ion trong điện trường ta dễ dàng phân tích một hỗn
hợp polime sinh vật bằng hiện tượng điện thẩm hay điện chuyển trên
băng ghi. Dịch sinh vật là các dung dịch điện ly có nhiều thành phần,
với độ hoà tan khác nhau. Do đó dưới tác dụng của điện trường
ngoài, các dung dịch loãng và các đại phân tử ion hoá có tốc độ dịch
chuyển khác nhau. Hiện tượng điện thẩm dễ dàng phân biệt được đó
là sự chuyển động của dòng chất lỏng, trong khi đó dòng chuyển
động của các hạt (phân tử và các đại phân tử ion hoá) là do hiện
tượng điện di tạo nên. Qúa trình điện thẩm có thể xảy ra trong nhiều
trường hợp và qua các tổ chức sinh học khác nhau, chẳng hạn như da
ếch, màng tế bào, thành động mạch, mao quản, vách mao mạch...
115
Dựa vào giá trị hiệu số điện thế điện hoá của lớp điện tích kép
( ξ ), Smolukhovski đã đưa ra công thức để xác định tốc độ chuyển
động tương đối của các hạt giữa hai lớp là:
(6.1)
Ev
πη
ξ
ε
=4
Trong đó: ε là hằng số điện môi của môi trường
η là hệ số nội ma sát của dung dịch,
E là cường độ điện trường tĩnh
(ξ và E được tính theo đơn vị mV )
2. Điện thế chảy.
Điện thế chảy xuất hiện khi chất lỏng chuyển động dưới tác
dụng của áp suất thuỷ tĩnh qua các mao quản, hoặc các lỗ nhỏ của
màng, mà thành lỗ có mang điện tích. Hiện tượng dịch chuyển của
các chất làm xuất hiện điện thế chảy theo chiều hướng ngược lại so
với hiện tượng điện thẩm. Ở đây sự chuyển động của môi trường
phân tán sẽ tạo nên một hiệu điện thế trong bản thân hệ.
Để thấy rõ điều này, ta tiến hành thí nghiệm như sau: -Dùng
một bình thuỷ tinh hai ngăn chứa dung dịch sinh lý, ngăn cách nhau
bằng một màng da ếch. Ở đây dung dịch sinh vật là các môi trường
phân tán, còn màng da ếch đóng vai trò để tạo ra các pha phân tán.
Hiện tượng xảy ra được biểu diễn như (hình 6.1) dưới đây:
Hình 6.1: Điện thế chảy xuất hiện qua các lỗ màng.
Nếu tăng áp suất ở nữa bình phía bên trái thì chất lỏng sẽ
chuyển động về bên phải bình, đồng thời giữa hai phía của bình sẽ
xuất hiện một hiệu điện thế. Điện thế mới hình thành đó chính là giá
trị của điện thế chảy. Sự chênh lệch điện thế ở hai bình là hiệu điện
116
thế đo được ở hai phía của màng ngăn cách hai dung dịch. Nguyên
nhân xuất hiện hiệu điện thế trên là do trạng thái cân bằng tĩnh điện bị
phá vỡ. Điện thế chảy cũng dễ dàng khảo sát được khi tiến hành thí
nghiệm với các dịch sinh vật và cho chuyển động qua các màng xốp
hay các màng bán thấm. Do đó, dựa vào hiện tượng đã trình bày trên,
thông thường người ta hay sử dụng các màng lọc để đo độ xốp của
các đối tượng nghiên cứu là các tổ chức sinh vật.
3. Điện thế lắng.
Điện thế lắng là hiệu số điện thế xuất hiện giữa lớp trên và lớp
dưới của dung dịch đa pha trong quá trình lắng các hạt mang điện của
các pha phân tán dưới tác dụng của trọng lực. Bản chất của hiện
tượng làm xuất hiện loại điện thế này khác hẳn so với hiện tượng làm
xuất hiện hiệu điện thế trong quá trình điện di.
Có thể khảo sát hiện tượng xảy ra trong quá trình lắng của
máu chẳng hạn (hình 6.2). Máu là một dung dịch keo, các thành phần
hữu hình của máu (hồng cầu, bạch cầu) có trọng lượng riêng lớn hơn
huyết thanh nên sẽ lắng xuống đáy bình. Trong quá trình lắng máu đã
làm xuất hiện một sự chênh lệch điện thế giữa lớp trên và lớp dưới
của dịch sinh vật. Điện thế xuất hiện trong trường hợp này chính là
điện thế lắng.
Hình 6.2: Điện thế lắng trong quá trình lắng máu
Quá trình chuyển động làm xuất hiện điện thế lắng của máu
có thể giải thích như sau: Hiện tượng lắng máu làm các ion dương
tách ra khỏi sự chuyển động của các thành phần hữu hình. Kết quả
thực nghiệm cho ta thấy rõ điều đó, các lớp dưới của dung dịch có
điện thế âm vì mang điện lượng âm, còn các lớp trên mang điện thế
dương vì có nhiều điện tích dương.
117
Tất cả các hiện tượng điện động đều liên quan đến sự xuất
hiện hiệu điện thế giữa pha phân tán và môi trường phân tán.
Điện thế này còn được gọi là điện thế điện động hoặc Zeta
điện thế (ξ - điện thế). Thế điện động chỉ xuất hiện do quá trình
chuyển động của các pha trong hệ dị thể. Hiệu điện thế này được hình
thành trên ranh giới giữa màng dung môi cực mỏng (gọi là lớp hấp
phụ) trên bề mặt của hạt và toàn bộ phần chất lỏng còn lại của dung
dịch.
4. Điện di.
Điện di là phương pháp phân tích dựa trên sự dịch chuyển các
điện tích, phân tử nhiễm điện dưới tác dụng của trường lực điện
không đổi. Thông thường, ta sử dụng phương pháp điện di để tách
chiết các thành phần albumin, globulin trong huyết thanh; điện di
protéin (phức chất lipid với protéin); điện di glucoprotéin (xác định
các thành phần của protéin và glucid trong huyết thanh).
Năm 1937, Tiselius là người đầu tiên đã đưa ra phương pháp
điện di trong môi trường tự do để khảo sát sự hiện diện của protéin
trong huyết thanh. Sau Tiselius, Cremer ta thấy có nhiều nhà khoa
học khác như Durrum đã xây dựng lý thuyết về hiện tượng này một
cách tường minh. Trong hệ thống sống, các dịch sinh vật là các dung
dịch điện ly, thông thường là sự phân ly không tuyệt đối hoàn toàn.
Nếu gọi α là hệ số phân ly, với quá trình sinh vật thuận nghịch thì
phản ứng sẽ diễn ra như sau:
Thí dụ: Khảo sát sự hoà tan của Axit Acetic trong nước. Nếu
dung dịch có nồng độ C mol Axit Axetic khi hoà tan trong một lít
nước, ta có:
CH3 - COOH ฀ CH3COO- + H+
Và nồng độ phân tử gam là: C(1- α ) Cα Cα
Với α là hệ số phân ly.
Theo định luật Guldberg và Waage thì:
(6.2)
.
)1(
.Const
C
CC =
−
α
α
α
K
C=
−
α
α
1
2
(6.3)
Với K là hằng số ion.
118
Tốc độ của các loại ion là khác nhau, nên nếu gọi ν+ và ν- là
độ linh động của các ion dương và âm thì mật độ dòng điện là:
(6.4)
)( −+ +=
νν
ne
S
i
Với i là dòng điện bên ngoài,
S là tiết diện của vật.
Khi hạt mang điện có điện lượng q là các đại phân tử Protéin,
các hạt keo hay hạt mixen thì dưới tác dụng của điện trường E, chúng
sẽ dịch chuyển với vận tốc v. Còn khi lực điện trường (fe) mà cân
bằng với lực ma sát (fms) thì hạt sẽ chuyển động đều:
qE = k v (6.5)
v = qE/ k (6.6)
Trong đó k là hệ số ma sát phụ thuộc vào hình dạng, kích
thước phân tử hoà tan và độ nhớt của dung dịch.
Theo định luật Stock, ta có lực nội ma sát được xác định là:
Fms = 6πηrv (6.7)
Với: r là bán kính hạt nhiễm điện
η là độ nhớt của môi trường
Từ (6.5) và (6.7) ta được:
v = qE/ 6πηr (6.8)
Do hiện tượng nội ma sát xảy ra, khi quả cầu có bán kính r,
chuyển động tịnh tiến trong khối chất lưu, thì quả cầu sẽ kéo lớp chất
lưu ở gần mặt tiếp xúc với nó chuyển động theo. Vận tốc biến đổi
theo hướng chuyển động, được biểu diễn như (hình 6.3) dưới đây:
v
2/3
r
Hình 6.3: Lực tác dụng lên quả cầu bán kính r
chuyển động trong chất lưu