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2025-02-25T18:59:28Z

Elektroosmotischer Fluss: +fehlendes Leerzeichen

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[[File:Electroosmotic Flow Depiction.tiff|mini|hochkant=1.1|Prinzip der Elektroosmose in einer [[Kapillare]]]]
'''Elektro[[osmose]]''' (auch '''Elektro|endosmose''', selten auch '''Elektro|endo|osmose''') ist das Anlegen eines [[elektrisches Feld|elektrischen Feldes]], das parallel zu einer Oberfläche steht. Der Effekt tritt u. a. bei der [[Kapillarelektrophorese]] auf, die Bewegung einer Flüssigkeit wird dann ''Elektroosmotischer Fluss'' genannt.

Elektroosmotische Effekte wurden erstmals von [[Ferdinand Friedrich von Reuß]] untersucht und 1809 veröffentlicht.<ref>{{Literatur|Autor=Рейсс Ф. Ф.|Titel=О новом действии гальванического электричества|Sammelwerk=Memoires de la Société Imperiale des Naturalistes de Moscou|Band=II|Nummer=|Datum=1809|Seiten=327–337|DOI=}}</ref>

== Grundlagen ==
Der Grund für den Effekt der Elektroosmose liegt darin, dass eine Flüssigkeit zwar im Volumen (also im Inneren) [[elektrisch neutral]] ist, sich aber an einer Oberfläche eine [[Doppelschicht|elektrochemische Doppelschicht]] ausbildet; diese ist etwa zehn [[Nanometer]] dick, wobei die Schichtstärke von den in der Flüssigkeit [[Lösung (Chemie)|gelösten]] [[Ion]]en abhängt. Die Flüssigkeit ist also ''an der Oberfläche nicht'' elektrisch neutral.

Wenn man nun ein elektrisches Feld parallel zur Oberfläche anlegt, wirkt daher eine [[Kraft]] auf die Flüssigkeit, und es kommt zur Strömung.<ref name="harris" /> Dies ist nur bei [[Nichtleiter|isolierenden]] Oberflächen möglich; [[Metall]]e und andere [[elektrischer Leiter|elektrische Leiter]] würden ein Feld parallel zur Oberfläche [[Elektrischer Kurzschluss|kurzschließen]].

== Elektroosmotischer Fluss ==
Der elektroosmotische [[Fluss (Physik)|Fluss]] (EOF) ist eng verbunden mit der [[Elektrophorese]]. Er tritt als Folge eines [[Grenzfläche]]n<nowiki></nowiki>phänomens zwischen [[Kapillare|Kapillar]]<nowiki></nowiki>wand und der [[Elektrolyt]]<nowiki></nowiki>lösung bei Anlegen eines elektrischen Feldes auf. Bei bestimmten Materialien wie z. B. [[Glas]], [[amorph]]em [[Quarz]], [[Teflon]], [[Papier]], [[Agarose]]- oder [[Kieselgel]], aus dem elektrophoretische Trägerplatten und Kapillaren bestehen, treten [[Oberflächenladung]]en auf, die mit einer darüber stehenden Elektrolytlösung zur Ausbildung einer Doppelschicht führen. Während die [[Elektrische Ladung|Ladungen]] der [[Feststoff]]<nowiki></nowiki>seite ortsgebunden bleiben, folgen die beweglichen Ladungen in der Elektrolytlösung dem Feld und setzen damit die Flüssigkeit entlang der Grenzfläche in Bewegung.

Die treibende Kraft entsteht dabei also direkt an der Kapillarwand, so dass die entstehende Flüssigkeitsbewegung über den ganzen Querschnitt der Kapillare gleichförmig ist. Dagegen würde eine durch die Kapillare gepumpte Flüssigkeit an der Wand auf nahezu Nullgeschwindigkeit gebremst und hätte ihre maximale Geschwindigkeit in der Mitte des Lumens. Dies ist ein entscheidender Vorteil für die Trennschärfe der Elektrophorese.

Die für die Kapillarelektrophorese meist verwendeten Kapillaren aus amorphem Quarz zeigen eine [[Dissoziation (Chemie)|Dissoziation]] von [[Silanol]]<nowiki></nowiki>gruppen (SiOH → SiO-), die zu einer negativen Ladung auf den inneren Kapillarwänden führen. Die resultierende negative Oberflächenladung bildet zusammen mit positiven geladenen Ionen der Elektrolytlösung eine [[Stern-Doppelschicht]] aus. Die positiven Ladungen im Elektrolyten werden von der [[Kathode]] angezogen und bewegen den Kapillarinhalt deshalb dorthin.<ref name="harris" />

Zur Trennung von [[Anion]]en ist es aber notwendig, einen EOF zur [[Anode]] hin zu erzeugen. Mithilfe von [[kation]]ischen [[Tensid]]en (genannt EOF-Modifikatoren) in der Elektrolytlösung ist es möglich, eine Zwischenschicht über der Kapillarwand aufzubauen, die zum Lumen hin positive Ladungen trägt. Sie induziert dann eine negative [[Grenzschicht]] im Elektrolyten, welche diesen zur Anode hin fließen lässt. Besonders bewährt hat sich als EOF-Modifikator CTAB ([[Cetyltrimethylammoniumbromid]]) und besser noch [[Tetradecyltrimethylammoniumbromid]].

=== Berechnung ===
Beschrieben wird der elektroosmotische Fluss als [[Driftgeschwindigkeit]] <math>v_{eo}</math> durch folgende Gleichung:.<ref name="harris" />

:<math>v_{eo} = \mu_{eo} \cdot E</math>

mit
* der elektroosmotischen [[Beweglichkeit_(Physik) #Beweglichkeit_in_der_Elektrodynamik|Mobilität]] <math>\mu_{eo}</math>
* der [[elektrische Feldstärke|elektrischen Feldstärke]] <math>E</math>.

=== Einflußgrößen ===
Da die Oberflächenladung an der Kapillarinnenwand stark [[pH-Wert|pH]]-abhängig ist, ändert sich der elektroosmotische Fluss mit dem pH-Wert des Elektrolyt: bei niedrigem pH-Wert wird er kleiner, bei hohem entsprechend größer.

Die Stärke des EOF ist auch abhängig von der Umgebungstemperatur und der Elektrolyt[[Konzentration (Chemie)|konzentration]]: steigt die Elektrolytkonzentration, so sinkt der EOF und umgekehrt.

Auch durch den Zusatz von [[Organische Chemie|organischen]] [[Lösungsmittel]]n wie Methanol nimmt der EOF ab.

== Auswirkungen und Anwendungen ==
Da die Kraft nur auf eine sehr dünne Flüssigkeitsschicht wirkt, ist Elektroosmose nur in dünnen [[Kapillare]]n zu beobachten (einige Nanometer bis maximal einige [[Meter #Mikrometer|Mikrometer]]). Bei dickeren Flüssigkeitsschichten oder -säulen überwiegen die Effekte des Volumens bei weitem ([[Ionenleitung]], [[Elektrolyse]], [[Elektrophorese]]). Elektroosmose kann daher in Mikrokanälen, die für die [[Kapillarelektrophorese]] kleinster Flüssigkeitsmengen verwendet werden, stark in Erscheinung treten (Elektroosmotischer Fluss).

Mit Hilfe der Elektroosmose kann auch eine „Nano[[pumpe]]“ realisiert werden, mit der kleine Flüssigkeitsmengen wohldosiert abgegeben werden können. Typische [[Elektrische Feldstärke|Feldstärken]] für solche Anwendungen sind einige hundert bis über tausend [[Volt]] pro Zentimeter. Damit ist ein [[Druck (Physik)|Druck]] von über 10 [[Bar (Einheit)|bar]] erreichbar, die Flüssigkeitsgeschwindigkeiten liegen im Bereich von Mikrometern bis wenigen Millimetern je Minute. Diese geringen Geschwindigkeiten hängen damit zusammen, dass der [[Strömungswiderstand]] in derart dünnen Kapillaren aufgrund der [[Viskosität]] der Flüssigkeit (meist [[Wasser]] mit gelösten Stoffen) sehr hoch ist, und dass die Kraft nur in unmittelbarer Nähe zur Oberfläche wirkt, wo die Strömung besonders stark durch Viskosität behindert wird. Der [[Wirkungsgrad]] solcher Pumpen bleibt daher auch im theoretisch optimalen Fall deutlich unter 10 %.

Bei welchen Verfahren die Elektroosmose zur [[Trocknung]] von [[Mauerwerk]] geeignet ist, wird im Artikel [[Elektrophysikalische Mauertrockenlegung]] behandelt.

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
* {{Internetquelle
|url=http://www.colour-europe.de/pf_812_messtechnik_1.htm
|titel=Bestimmung des Zetapotenzials – warum?
|werk=Firmenbroschüre
|hrsg=Malvern Instruments Ltd
|archiv-url=https://web.archive.org/web/20070929012152/http://www.colour-europe.de/pf_812_messtechnik_1.htm
|archiv-datum=2007-09-29
|zugriff=2016-07-06
|sprache=de
|kommentar=Abschnitt ''Historie - elektrokinetischen Phänomene''}}
*{{Webarchiv | url=http://www.chemie.uni-rostock.de/atu/gruendler/Vorlesung/LAK/Elpho_kurz.pdf | wayback=20070617130723 | text=Beschreibung der elektroosmotischen "Pumpe"}} (PDF-Datei; 1,7 MB)

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor=Hens Hijnen
|Titel=A Theoretical Analysis of the Influence of Electroosmosis on the Effective Ionic Mobility in Capillary Zone Electrophoresis
|Sammelwerk=[[Journal of Chemical Education]]
|Band=86
|Nummer=7
|Datum=2009
|Seiten=869
|DOI=10.1021/ed086p869}}
* {{Literatur
|Autor=Stefan Bauer, Peter Fischer
|Titel=Ein Technikdenkmal im Wald: Die ehemalige "Elektro-Osmose"-Anlage am Lengemannschacht bei Großalmerode, Teil 1
|Sammelwerk=[[Keramische Zeitschrift]]
|Band=58
|Nummer=3
|Datum=2006
|Seiten=201–204
|Online=http://www.keramische-zeitschrift.info/index.cfm?objekt=Keram&jahr=2006&ausgabe=3&rubrik=Keramischer%20Rundblick&lang=DE&artikel_id=201068&navi=2}}
* {{Literatur
|Autor=Stefan Bauer, Peter Fischer
|Titel=Ein Technikdenkmal im Wald: Die ehemalige "Elektro-Osmose"-Anlage am Lengemannschacht bei Großalmerode, Teil 2
|Sammelwerk=[[Keramische Zeitschrift]]
|Band=58
|Nummer=4
|Datum=2006
|Seiten=280–282
|Online=http://www.keramische-zeitschrift.info/index.cfm?objekt=Keram&jahr=2006&ausgabe=4&rubrik=Keramischer%20Rundblick&lang=de&artikel_id=203689&navi=2}}

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="harris">
{{Literatur
|Autor=Daniel C. Harris
|Hrsg=Gerhard Werner, Tobias Werner
|Titel=Lehrbuch der Quantitativen Analyse
|Auflage=8
|Verlag=Springer
|Ort=Berlin / Heidelberg
|Datum=2014
|Kapitel=Kapitel 25: ''Chromatographische Methoden und Kapillarelektrophorese''
|Seiten=737 ff.
|ISBN=978-3-642-37787-7
|DOI=10.1007/978-3-642-37788-4_26}}
</ref>
</references>

[[Kategorie:Elektrophorese]]
[[Kategorie:Strömungsmechanik]]

Elektroosmose - Versionsgeschichte

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