Potencjał elektrokinetyczny


Potencjał elektrokinetyczny w encyklopedii

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

Potencjał elektrokinetyczny, potencjał dzeta, potencjał zeta, potencjał ζpotencjał 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.

Spis treści

Rodzaje zjawisk elektrokinetycznych | edytuj kod

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 | edytuj kod

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:

κ 1 = ε r ε 0 k B T 2 N A e 2 I , {\displaystyle \kappa ^{-1}={\sqrt {\frac {\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}k_{B}T}{2N_{A}e^{2}I}}},} gdzie: I {\displaystyle I} siła jonowa elektrolitu [mol/m³], zob. prawo Debye’a-Hückla, ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}} przenikalność elektryczna, ε r {\displaystyle \varepsilon _{r}} przenikalność względna, k B {\displaystyle k_{B}} stała Boltzmanna, T {\displaystyle T} – temperatura absolutna [K, N A {\displaystyle N_{A}} stała Avogadra, e {\displaystyle e} ładunek elektryczny elementarny. 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 ) {\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 | edytuj kod

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

  • prędkości cząstek ( u ) {\displaystyle (u)} poruszających się w czasie elektroforezy w cieczy o lepkości η {\displaystyle \eta } w polu o gradiencie potencjału H : {\displaystyle H{:}}
ζ = k η u H ϵ , {\displaystyle \zeta ={\frac {k\eta u}{H\epsilon }},}
  • objętości cieczy przepływającej w czasie elektroosmozy przez przegrodę o powierzchni s {\displaystyle s} pod wpływem gradientu potencjału H : {\displaystyle H{:}}
ζ = k η v s H ϵ . {\displaystyle \zeta ={\frac {k\eta v}{sH\epsilon }}.}

Stała k {\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 | edytuj kod

Zobacz też | edytuj kod

Uwagi | edytuj kod

  1. a b Utożsamianie 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 | edytuj kod

  1. Electrokinetic potential, ζ (ang.). W: International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) [on-line]. goldbook.iupac.org. [dostęp 2014-03-01]. (pdf).
  2. a b c d e f g Stanisław Bursa: Chemia fizyczna. Wyd. Wyd. 2 popr. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1979, s. 577–582. ISBN 83-01-00152-6.
  3. red. Antoni Basiński: Chemia fizyczna. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1966, s. 770–771.
  4. Marian Smoluchowski: Contribution à la théorie de l’Endosmose électrique et de quelques phénomènes corrélatifs (ang.). W: Bull. Int. Acad. Sci. Cracovie, 184 [on-line]. 1903. [dostęp 2014-03-01]. (pdf).
  5. Właściwości kinetyczne układów koloidalnych (pol.). W: Chemia. Wirtualny podręcznik – podstawy i zastosowania [on-line]. www.chemia.dami.pl. [dostęp 2017-04-18]. [zarchiwizowane z tego adresu (2013-09-10)].
  6. a b c Monika Kujawska: Zjawiska elektryczne na granicach faz ciało stałe – roztwór (pol.). W: Materiały do wykładów z podstaw chemii wzbogacania kopalin [on-line]. Politechnika Śląska. [dostęp 2014-03-02].

Linki zewnętrzne | edytuj kod

Na podstawie artykułu: "Potencjał elektrokinetyczny" pochodzącego z Wikipedii
OryginałEdytujHistoria i autorzy