Potencjał elektrokinetyczny, potencjał dzeta, potencjał zeta, potencjał ζ – potencjał występujący przy powierzchni ciała stałego lub innych cząstek rozproszonych (emulsje), kontaktującej się z roztworemelektrolitu, 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]).
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 polskifizyk, 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 rzędunanometrów. Jest ona zmienna – zależna od składu roztworu i czynników fizycznych – i ściśle związana z wartością długości Debye’a, którą wyraża się jako:
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 poruszających się w czasie elektroforezy w cieczy o lepkości w polu o gradiencie potencjału
objętości cieczy przepływającej w czasie elektroosmozy przez przegrodę o powierzchni pod wpływem gradientu potencjału
Stała 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
Potencjał elektrokinetyczny dla emulsji i zawiesin w wodzie[2]
↑ abUtożsamianie potencjału elektrokinetycznego ζ z potencjałem ψ warstwy dyfuzyjnej jest dopuszczalne tylko w przypadku roztworów rozcieńczonych, czyli małych gradientów potencjału (A. Basiński i wsp., s. 772).
Przypisy
↑Electrokinetic potential, ζ. [w:] International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) [on-line]. goldbook.iupac.org. [dostęp 2014-03-01]. (ang.). (pdf).
↑Marian Smoluchowski: Contribution à la théorie de l’Endosmose électrique et de quelques phénomènes corrélatifs. [w:] Bull. Int. Acad. Sci. Cracovie, 184 [on-line]. 1903. [dostęp 2014-03-01]. (ang.). (pdf).
↑Właściwości kinetyczne układów koloidalnych. [w:] Chemia. Wirtualny podręcznik – podstawy i zastosowania [on-line]. www.chemia.dami.pl. [dostęp 2017-04-18]. [zarchiwizowane z tego adresu (2013-09-10)]. (pol.).
↑ abcMonika Kujawska: Zjawiska elektryczne na granicach faz ciało stałe – roztwór. [w:] Materiały do wykładów z podstaw chemii wzbogacania kopalin [on-line]. Politechnika Śląska. [dostęp 2014-03-02]. (pol.).
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 flotacjiWpływ 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