Zeta potansiyeli - Zeta potential
Zeta potansiyeli , kayma düzlemindeki elektrik potansiyelidir. Bu düzlem, hareketli sıvıyı yüzeye bağlı kalan sıvıdan ayıran arayüzdür.
Zeta potansiyeli için bilimsel bir terimdir elektro kinetik potansiyeli içinde koloidal dispersiyonların . İçinde kolloidal kimya literatüründe, genellikle Yunan harfi ile gösterilir zeta (ζ) bu nedenle, ζ potansiyel . Normal birimler volt (V) veya daha yaygın olarak milivolttur (mV). Teorik bir bakış açısından, zeta potansiyeli, ara yüzeyden uzaktaki yığın sıvıdaki bir noktaya göre kayma düzleminin konumunda ara yüzey çift tabakasındaki (DL) elektrik potansiyelidir . Başka bir deyişle, zeta potansiyeli, dağılım ortamı ile dağılmış partiküle bağlı sabit sıvı tabakası arasındaki potansiyel farktır .
Zeta potansiyeli, kayan düzlemin sınırladığı bölgede bulunan net elektrik yükünden kaynaklanır ve ayrıca bu düzlemin konumuna bağlıdır . Bu nedenle, yükün büyüklüğünün ölçülmesinde yaygın olarak kullanılır. Ancak zeta potansiyeli, çift katmandaki Stern potansiyeline veya elektrik yüzey potansiyeline eşit değildir , çünkü bunlar farklı yerlerde tanımlanmıştır. Bu tür eşitlik varsayımları dikkatle uygulanmalıdır. Bununla birlikte, zeta potansiyeli genellikle çift katmanlı özelliklerin karakterizasyonu için mevcut tek yoldur.
Zeta potansiyeli, koloidal dispersiyonların kararlılığının önemli ve kolaylıkla ölçülebilir bir göstergesidir . Zeta potansiyelinin büyüklüğü, bir dağılımdaki bitişik, benzer şekilde yüklü parçacıklar arasındaki elektrostatik itme derecesini gösterir . Yeterince küçük moleküller ve partiküller için, yüksek bir zeta potansiyeli stabilite sağlayacaktır, yani çözelti veya dağılım topaklaşmaya direnecektir. Potansiyel küçük olduğunda, çekici kuvvetler bu itmeyi aşabilir ve dağılım kırılabilir ve topaklanabilir . Bu nedenle, yüksek zeta potansiyeline (negatif veya pozitif) sahip kolloidler elektriksel olarak stabilize edilirken, düşük zeta potansiyeline sahip kolloidler tabloda belirtildiği gibi pıhtılaşma veya topaklanma eğilimindedir.
| Zeta potansiyeli (mV) | Kararlılık davranışı |
|---|---|
| 0 ila ±5 | Hızlı pıhtılaşma veya flokülasyon |
| ±10 ila ±30 | Başlangıçtaki istikrarsızlık |
| ± 30 ila ± 40 | Orta kararlılık |
| ± 40 ila ± 60 | İyi istikrar |
| > 61 | Mükemmel stabilite |
Ölçüm
Zeta potansiyelinin ölçülmesine izin veren bazı yeni enstrümantasyon teknikleri mevcuttur. Zeta Potansiyel Analizörü katı, elyaf veya toz halindeki malzemeleri ölçebilir. Ara bölmede bulunan motor, numune boyunca titreşimli bir elektrolit çözeltisi akışı yaratır. Arayüzdeki birkaç sensör diğer faktörleri izler, böylece eklenen yazılım zeta potansiyelini bulmak için hesaplamalar yapabilir. Sıcaklık, pH, iletkenlik, basınç ve akış potansiyelinin tümü bu nedenle ara bölmede ölçülür.
Zeta potansiyeli, teorik modeller ve deneysel olarak belirlenmiş bir elektroforetik hareketlilik veya dinamik elektroforetik hareketlilik kullanılarak da hesaplanabilir .
Elektrokinetik olaylar ve elektroakustik olaylar , zeta potansiyelinin hesaplanması için olağan veri kaynaklarıdır. ( Zeta potansiyel titrasyonuna bakın .)
elektrokinetik olaylar
Elektroforez , partiküllerin zeta potansiyelini tahmin etmek için kullanılırken , akma potansiyeli / akımı gözenekli cisimler ve düz yüzeyler için kullanılır . Uygulamada, dağılımın zeta potansiyeli, dağılım boyunca bir elektrik alanı uygulanarak ölçülür . Zeta potansiyeline sahip dispersiyon içindeki parçacıklar, zeta potansiyelinin büyüklüğü ile orantılı bir hızla zıt yüklü elektrotlara doğru hareket edeceklerdir.
Bu hız, lazer Doppler anemometre tekniği kullanılarak ölçülür . Bu hareketli parçacıkların neden olduğu bir lazer ışınının frekans kayması veya faz kayması , parçacık hareketliliği olarak ölçülür ve bu hareketlilik, dağıtıcı viskozitesi ve dielektrik geçirgenliği ve Smoluchowski teorilerinin uygulanmasıyla zeta potansiyeline dönüştürülür .
Elektroforez
Elektroforetik hareketlilik, ölçülebilir parametre olan elektroforetik hız ile orantılıdır. Elektroforetik hareketliliği zeta potansiyeli ile ilişkilendiren birkaç teori vardır. Elektroforez hakkındaki makalede kısaca ve kolloid ve arayüz bilimi üzerine birçok kitapta ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Elektrokinetik fenomenler üzerine bir grup dünya uzmanı tarafından hazırlanan bir IUPAC Teknik Raporu var. Enstrümental bakış açısından, üç farklı deneysel teknik vardır: mikroelektroforez , elektroforetik ışık saçılması ve ayarlanabilir dirençli darbe algılama . Mikroelektroforez, hareketli parçacıkların bir görüntüsünü verme avantajına sahiptir. Öte yandan, numune hücresinin duvarlarındaki elektro-ozmoz nedeniyle karmaşıktır . Elektroforetik ışık saçılımı, dinamik ışık saçılımına dayanır . Kılcal bir hücre durumu dışında elektro-ozmotik akış sorununu ortadan kaldıran açık bir hücrede ölçüm yapılmasına izin verir. Ve, çok küçük parçacıkları karakterize etmek için kullanılabilir, ancak bu, hareketli parçacıkların görüntülerini gösterme yeteneğinin kaybolması pahasına. Ayarlanabilir dirençli darbe algılama (TRPS), dirençli darbe sinyalinin süresine bağlı olarak tek tek parçacıkların zeta potansiyelini ölçen empedans temelli bir ölçüm tekniğidir. Nanopartiküllerin translokasyon süresi, voltaj ve uygulanan basıncın bir fonksiyonu olarak ölçülür. Ters translokasyon süresinden voltaja bağlı elektroforetik hareketliliğe karşı ve dolayısıyla zeta potansiyelleri hesaplanır. TRPS yönteminin ana avantajı, geniş bir sentetik ve biyolojik nano/mikropartikül spektrumunun ve bunların karışımlarının analizini mümkün kılarak partikül bazında eş zamanlı boyut ve yüzey yükü ölçümlerine izin vermesidir.
Tüm bu ölçüm teknikleri numunenin seyreltilmesini gerektirebilir. Bazen bu seyreltme numunenin özelliklerini etkileyebilir ve zeta potansiyelini değiştirebilir. Bu seyreltmeyi gerçekleştirmenin tek bir gerekçeli yolu vardır - denge süpernatantını kullanarak . Bu durumda, yüzey ve dökme sıvı arasındaki ara yüzey dengesi korunacak ve zeta potansiyeli, süspansiyondaki parçacıkların tüm hacim fraksiyonları için aynı olacaktır. Seyreltici bilindiğinde (kimyasal bir formülasyonda olduğu gibi), ek seyreltici hazırlanabilir. Seyreltici bilinmiyorsa, denge süpernatantı santrifüjleme ile kolayca elde edilir .
Elektroakustik olaylar
Zeta potansiyelini karakterize etmek için yaygın olarak kullanılan iki elektroakustik etki vardır: kolloid titreşim akımı ve elektrik sonik genliği . Zeta potansiyeline bağlı olan dinamik elektroforetik hareketliliği ölçmek için bu etkilerden yararlanan ticari olarak mevcut araçlar vardır.
Elektroakustik teknikler, seyreltilmeden bozulmamış örneklerde ölçüm yapabilme avantajına sahiptir. Yayınlanmış ve iyi doğrulanmış teoriler,% 50'ye kadar hacim fraksiyonlarında bu tür ölçümlere izin verir. Dinamik elektroforetik hareketlilikten zeta potansiyelinin hesaplanması, parçacıklar ve sıvı için yoğunluklar hakkında bilgi gerektirir. Ek olarak, kabaca 300 nm'yi aşan daha büyük parçacıklar için gerekli parçacık boyutu hakkında da bilgi.
Hesaplama
Deneysel verilerden zeta potansiyelini hesaplamak için en bilinen ve yaygın olarak kullanılan teori , 1903'te Marian Smoluchowski tarafından geliştirilen teoridir. Bu teori, başlangıçta elektroforez için geliştirilmiştir; ancak artık elektroakustik için bir uzantı da mevcuttur. Smoluchowski'nin teorisi güçlüdür çünkü herhangi bir şekle ve herhangi bir konsantrasyona sahip dağınık parçacıklar için geçerlidir . Ancak, sınırlamaları vardır:
- Ayrıntılı teorik analizi zaman Smoluchowski teorisi, sadece yeterli incelikte bir çift katman için geçerli olduğunu kanıtlamıştır Debye uzunluğunun , parçacık yarı çapı daha küçüktür :
- "İnce çift katman" modeli, yalnızca elektroforez teorisi için değil, diğer birçok elektrokinetik ve elektroakustik teori için de muazzam basitleştirmeler sunar. Bu model çoğu sulu sistem için geçerlidir çünkü Debye uzunluğu tipik olarak suda sadece birkaç nanometredir . Model , saf suya yaklaşan iyonik kuvvete sahip bir çözelti içinde yalnızca nano-kolloidler için kırılır .
- Smoluchowski'nin teorisi, yüzey iletkenliğinin katkısını ihmal eder . Bu, modern teorilerde küçük bir Dukhin sayısının durumu olarak ifade edilir :
Daha geniş bir geçerlilik yelpazesine sahip elektroforetik ve elektroakustik teorilerin geliştirilmesi, 20. yüzyıl boyunca birçok çalışmanın amacıydı. Hem elektrokinetik hem de elektroakustik uygulamalar için yüzey iletkenliğini birleştiren ve küçük Dukhin sayısının kısıtlamasını ortadan kaldıran birkaç analitik teori vardır .
Bu yöndeki ilk öncü çalışmalar, Overbeek ve Booth'a kadar uzanıyor.
Herhangi bir zeta potansiyeli ve çoğu zaman herhangi biri için geçerli olan modern, titiz elektrokinetik teoriler çoğunlukla Sovyet Ukraynalı (Dukhin, Shilov ve diğerleri) ve Avustralya (O'Brien, White, Hunter ve diğerleri) okullarından kaynaklanmaktadır. Tarihsel olarak ilki Dukhin-Semenikhin teorisiydi. Benzer bir teori on yıl sonra O'Brien ve Hunter tarafından oluşturuldu. İnce bir çift katman varsayarsak, bu teoriler, O'Brien ve White tarafından sağlanan sayısal çözüme çok yakın sonuçlar verecektir. Debye uzunluğu ve Dukhin sayısının herhangi bir değeri için geçerli olan genel elektroakustik teoriler de vardır.
Henry denklemi
Κa, basit analitik modellerin mevcut olduğu büyük değerler ile sayısal hesaplamaların geçerli olduğu düşük değerler arasında olduğunda, Henry denklemi zeta potansiyeli düşük olduğunda kullanılabilir. Bir iletken olmayan küre için, Henry denklemidir burada, f , 1 Henry fonksiyonu, κa sonsuza yaklaşan olarak 1.0 ila 1.5 arasında düzgün bir değişiklik fonksiyonları toplama biridir.
