Potencjał elektrokinetyczny

Potencjał elektrokinetyczny, potencjał dzeta, potencjał zeta, potencjał ζ – potencjał występujący przy powierzchni ciała stałego lub innych cząstek rozproszonych (emulsje), kontaktującej się z roztworem elektrolitu, określany na granicy poślizgu. Granica ta jest powierzchnią oddzielającą tę część przestrzeni międzyfazowej, która zawiera jony unieruchomione na powierzchni fazy stałej i w jej bezpośrednim sąsiedztwie, od jej pozostałej – „rozmytej” – części (zob. podwójna warstwa elektryczna). Istnienie potencjału ζ jest przyczyną występowania zjawisk elektrokinetycznych.

Rodzaje zjawisk elektrokinetycznych

Gdy obie fazy, występujące w układzie faza rozproszona-roztwór elektrolitu, powiązane oddziaływaniami elektrostatycznymi, przemieszczają się lub mogą się przemieszczać względem siebie (zob. kinetyka), obserwowane są efekty nazywane zjawiskami elektrokinetycznymi. Wśród tych zjawisk są wymieniane^[1][2][3]:

• powstawanie potencjału między różnymi punktami układu w wyniku wzajemnego przemieszczania się faz:
  • powstawanie potencjału przepływu, gdy ciecz przepływa obok nieruchomego ciała stałego (np. różnica potencjałów między punktami po dwóch stronach przegrody lub kapilary, przez którą ciecz jest przetłaczana),
  • powstawanie potencjału sedymentacji (efekt Dorna), gdy opadające cząstki ciała stałego (np. cząstek zawiesiny) przemieszczają się względem nieruchomego roztworu (np. różnica potencjałów między krańcowymi punktami kolumny, w której zachodzi sedymentacja),
• ruch faz względem siebie pod wpływem zewnętrznego napięcia:
  • ruch cieczy względem nieruchomej fazy stałej – np. proces elektroosmozy (zjawisko odwrotne do powstawania potencjału przepływu),
  • przemieszczanie się ciała stałego względem nieruchomej cieczy – np. proces elektroforezy (zjawisko odwrotne do efektu Dorna).

W każdym z tych przypadków wzajemne przemieszczanie się faz zachodzi na „powierzchni ścinania” („powierzchni poślizgu”), znajdującej się wewnątrz cieczy, w pobliżu powierzchni ciała stałego. Powierzchnia ścinania oddziela roztwór zawierający jony silnie przyciągane przez powierzchnię (unieruchomione przy niej siłami adsorpcji i oddziaływania elektrostatycznego) od warstwy ruchomej (nazywanej „rozmytą” lub „dyfuzyjną”^[a]).

Rozmieszczenie jonów w podwójnej warstwie elektrycznej otaczającej cząstkę koloidu liofobowego
1 – potencjał powierzchni
2 – potencjał Sterna
3 – potencjał dzeta (na granicy poślizgu)

Schemat rozmieszczenia jonów w podwójnej warstwie elektrycznej na ściankach kapilary
1 – warstwa adsorpcyjna
2 – warstwa dyfuzyjna^[a]

Podstawy teoretyczne

Zmiany potencjału w elektrycznej warstwie podwójnej według H. Helmholtza (1), L.G. Gouya i D.L. Chapmana (2) i O. Sterna (3, 4)

Pierwszy znany model struktury warstwy elektrolitu, kontaktującej się z fazą w nim rozproszoną, zaproponował Hermann von Helmholtz (1879). Potraktował on powierzchnię cząstek fazy rozproszonej i warstwę równoważnej liczby zaadsorbowanych na niej jonów o przeciwnym ładunku jak okładki kondensatora. Konsekwencją tego założenia było stwierdzenie, że potencjał elektryczny w warstwie przypowierzchniowej zmienia się liniowo wraz z odległością. Model zmodyfikowali L.G. Gouy (1909) i D.L. Chapman (1913), Otto Stern (1924) oraz Peter Debye i Erich Hückel (1923). Stwierdzono konieczność uwzględnienia „rozmycia” chmury jonów, znajdujących się w pobliżu naładowanej powierzchni – opisanie zależności potencjału od odległości równaniami nieliniowymi, uwzględniającymi wszystkie rodzaje oddziaływań jonów z powierzchnią oraz z innymi jonami i cząsteczkami w roztworze przypowierzchniowym (w tym siły odpychania cząstek o ładunkach jednoimiennych). Znaczący wkład w badania procesów, zachodzących w przestrzeni przypowierzchniowej, wniósł polski fizyk, Marian Smoluchowski (1872–1917), który – wspólnie z Albertem Einsteinem – opracował teorię dyfuzji, uwzględniającą rolę ruchów Browna^[2][4][5].

Dotychczas nie powstał jeden, ogólnie obowiązujący, model przestrzeni międzyfazowej. Przyjmuje się, zgodnie z propozycją Sterna, że w jej ramach można wyodrębnić warstwy o różnych właściwościach – warstwę Helmholtza (adsorpcyjną), w której potencjał zmniejsza się liniowo ze wzrostem odległości, i „warstwę rozmytą”, wewnątrz której przebiega powierzchnia poślizgu^[2][6].

Grubość obu części warstwy podwójnej jest rzędu nanometrów. Jest ona zmienna – zależna od składu roztworu i czynników fizycznych – i ściśle związana z wartością długości Debye’a, którą wyraża się jako:

${\displaystyle \kappa ^{-1}={\sqrt {\frac {\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}k_{B}T}{2N_{A}e^{2}I}}},}$

Potencjał elektrokinetyczny (dzeta):
1 – definicja potencjału dzeta (ζ – potencjał w punkcie d), 2 – zależność ζ od pH i stężenia soli ${\displaystyle (c_{1}>c_{2}>c_{3})}$ oraz punkt izoelektryczny, 3 – zależności ζ od rodzaju cząstek faz rozproszonych i pH (przykłady poglądowe)^[2][6]

Potencjał elektrokinetyczny różnych faz rozproszonych zależy w dużym stopniu od stężenia jonów wodorowych. Dla różnych układów koloidalnych istnieje wartość pH, przy której potencjał elektrokinetyczny jest równy zeru (punkt izoelektryczny) i odpychanie elektrostatyczne nie przeciwdziała koagulacji koloidów. Zależność potencjału dzeta od pH i od stężenia innych jonów jest inna dla różnych rodzajów faz rozproszonych, co ilustrują przykłady przedstawione na poglądowym rysunku, opartym na wynikach oznaczeń dzeta kilku rzeczywistych koloidów mineralnych (kopalin)^[6].

Obliczanie ζ na podstawie pomiarów

W czasie doświadczalnych oznaczeń wartości potencjałów elektrokinetycznych bywają wykorzystywane wzory Smoluchowskiego w uproszczonej formie, np. w czasie badań opartych na pomiarach^[2]:

• prędkości cząstek ${\displaystyle (u)}$ poruszających się w czasie elektroforezy w cieczy o lepkości ${\displaystyle \eta }$ w polu o gradiencie potencjału ${\displaystyle H{:}}$

${\displaystyle \zeta ={\frac {k\eta u}{H\epsilon }},}$

• objętości cieczy przepływającej w czasie elektroosmozy przez przegrodę o powierzchni ${\displaystyle s}$ pod wpływem gradientu potencjału ${\displaystyle H{:}}$

${\displaystyle \zeta ={\frac {k\eta v}{sH\epsilon }}.}$

Stała ${\displaystyle k}$ jest zależna od kształtu cząstek; przyjmuje się np. że k = 6 w przypadku cząstek kulistych i k = 4 w przypadku cząstek cylindrycznych^[2].

Przykładowe wartości

Zobacz też

• Stanisław Glixelli

Uwagi

Przypisy

Linki zewnętrzne

• Measurement and interpretation of electrokinetic phenomena; 2005 IUPAC, Pure and Applied Chemistry 77, 1753–1805
• Potencjał elektrokinetyczny glebowych cząstek koloidalnych. karnet.up.wroc.pl. [zarchiwizowane z tego adresu (2014-03-02)]. na: karnet.up.wroc.pl
• Józef Stachurski, Ewa Oruba (AGH Kraków, Instytut Przeróbki i Wykorzystania Surowców Mineralnych), Rola potencjału elektrokinetycznego barytu i fluorytu w procesie flotacji Wpływ pH środowiska na potencjał elektrokinetyczny węgli o różnym stopniu wuęglenia na: www.minproc.pwr.wroc.pl
• Tadeusz Fijał, Ewa Małysa, Józef Stachurski (AGH Kraków, Instytut Przeróbki i Wykorzystania Surowców Mineralnych), na: www.minproc.pwr.wroc.pl

• prof. Henryk Galina, Wykład 6 Układy zdyspergowane na: henrykgalina.sd.prz.edu.pl
• Waldemar Nowicki i Grażyna Nowicka, Koagulacja koloidów liofobowych; ćwiczenie 8. Wyznaczenie progu koagulacji hydrozolu złota przez azotan potasowy. staff.amu.edu.pl. [zarchiwizowane z tego adresu (2014-03-02)]. na: www.staff.amu.edu.pl
• Oczyszczanie wody i powietrza > Potencjał Zeta na www.lenntech.pl
• There’s a Malvern instrument for you > Zeta potential na: www.malvern.com
• prof. Marek Kosmulski, Nanocząstki i nanotechnologie na: bc.pollub.pl