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 wymienianeSzablon:R:

• 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”Szablon:U).

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 BrownaSzablon:R.

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 poślizguSzablon:R.

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:

${\kappa }^{-1}=\sqrt{\frac{{\epsilon }_r{\epsilon }_0{k}_{B}T}{2N_A{e}^{2}I}},$

Potencjał elektrokinetyczny (dzeta):
1 – definicja potencjału dzeta (ζ – potencjał w punkcie d), 2 – zależność ζ od pH i stężenia soli $(c_1>c_2>c_3)$ oraz punkt izoelektryczny, 3 – zależności ζ od rodzaju cząstek faz rozproszonych i pH (przykłady poglądowe)Szablon:R

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)Szablon:R.

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 pomiarachSzablon:R:

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

$\zeta =\frac{k\eta u}{Hϵ},$

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

$\zeta =\frac{k\eta v}{sHϵ}.$

Stała $k$ jest zależna od kształtu cząstek; przyjmuje się np. że k = 6 w przypadku cząstek kulistych i k = 4 w przypadku cząstek cylindrycznychSzablon:R.

Przykładowe wartości

Potencjał elektrokinetyczny dla emulsji i zawiesin w wodzieSzablon:R

Faza rozdrobniona	Średnica cząstek [nm]	Potencjał ζ [mV]
Emulsja oleju	2000	–46
Emulsja parafiny	724	–57,4
Zawiesina kwarcu	1000	–44
Zawiesina gliny	1000	–48,8
Zol złota	ok. 80	–32
Zol Szablon:Chem	ok. 40	–32
Zol Szablon:Chem	ok. 100	44

Zobacz też

• Stanisław Glixelli

Linki zewnętrzne

• Measurement and interpretation of electrokinetic phenomena; 2005 IUPAC, Pure and Applied Chemistry 77, 1753–1805
• Szablon:Cytuj stronę 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
• Szablon:Cytuj stronę 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