离子电泳 离子电泳是电泳现象中专门描述带电离子在电场作用下于流体介质（通常是溶液）中发生定向迁移的过程。其核心驱动力是电场施加在离子电荷上的库仑力。 步骤一：基本概念与驱动力 定义 ：离子电泳指的是溶解在液体（如水溶液）中的 离子 （带正电荷的阳离子或带负电荷的阴离子），在外加电场作用下，朝着与自身电荷相反的电极方向发生 净位移 的现象。 驱动力 ：其根本驱动力是 电场力（库仑力） 。当一个离子带有电荷 \( q \) 时，在电场强度 \( E \) 中，它所受到的力为 \( F_ {elec} = qE \)。这个力直接作用于离子本身，使其产生加速运动的趋势。 步骤二：迁移过程与阻力平衡 加速与阻力 ：在电场力作用下，离子确实会开始加速。然而，在液体介质中，离子几乎立即会与周围的溶剂分子发生频繁的碰撞，并受到粘滞阻力的作用。 达到稳态 ：经过一个极短的瞬态过程后，离子受到的电场力与粘滞阻力会达到平衡。此时，离子将不再加速，而是以一个 恒定的平均速度 在电场方向上进行迁移。 迁移速率公式 ：这个恒定的平均速度 \( v \) 与电场强度 \( E \) 成正比，即 \( v = \mu E \)。其中的比例系数 \( \mu \) 被称为 电迁移率 ，它是描述离子电泳行为的一个关键物理量，单位通常是 \( m^2/(V \cdot s) \)。 步骤三：电迁移率及其影响因素 电迁移率 \( \mu \) 并非一个固定不变的常数，它深刻反映了离子本身及其所处环境的特性，主要受以下因素影响： 离子尺寸与形状 ：根据斯托克斯定律，球形粒子在粘性流体中运动时所受的阻力与粒子的半径 \( r \) 和流体的粘度 \( \eta \) 成正比。平衡时，电场力 \( qE \) 约等于粘滞阻力 \( 6\pi \eta r v \)。由此可以推导出 \( \mu \approx \frac{q}{6\pi \eta r} \)。这表明， 离子所带电荷越多、尺寸越小，其电迁移率就越大 ；而溶剂粘度越大，迁移率则越小。 溶剂化效应 ：在溶液中，离子并非裸露的，其周围会紧密地结合一层溶剂分子，形成“溶剂化壳”。这个壳层增加了离子在运动中有效的流体动力学半径，因此 溶剂化程度越高的离子，其有效半径越大，电迁移率相应降低 。 温度 ：温度升高会降低溶剂的粘度 \( \eta \)，根据上述公式，这将导致电迁移率 \( \mu \) 增大，离子迁移更快。 离子强度 ：在较高浓度的电解质溶液中，离子氛（由带相反电荷的离子构成的云团）效应变得显著。当一个离子在电场中移动时，其周围的离子氛需要时间进行重建和消散，这会产生一种额外的弛豫阻力，称为“弛豫效应”。同时，移动的离子和它的离子氛带有相反的净电荷，在电场中会彼此拖曳，产生“电泳效应”。这些效应都会 降低离子的表观电迁移率 。 步骤四：实际应用与表现 离子电泳不仅是基础理论概念，更是许多技术和分析方法的基石： 电导率 ：溶液的电导率直接依赖于其中所有离子的浓度和它们各自电迁移率的贡献。 电泳技术 ：在分析化学和生物化学中，利用不同离子或带电大分子（如蛋白质、DNA）具有不同的电迁移率，可以在凝胶或毛细管中实现高效的分离与分析。例如，毛细管电泳就是基于离子电泳原理的高效分离技术。 电渗效应 ：需要特别注意，在实际的多孔介质或毛细管中，固液界面通常带有电荷，会吸引反离子形成双电层。当外加电场时，这些反离子也会发生电泳迁移，从而拖动整个液体整体运动，这种现象称为电渗流。在很多情况下，离子电泳和电渗流是同时存在且共同作用的。