Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Диаграмма, показывающая концентрацию ионов и разность потенциалов как функцию расстояния от заряженной поверхности частицы, взвешенной в дисперсионной среде

Дзета-потенциал - это электрический потенциал в плоскости скольжения. Эта плоскость представляет собой границу раздела, которая отделяет подвижную жидкость от жидкости, которая остается прикрепленной к поверхности.

Дзета-потенциал - это научный термин для обозначения электрокинетического потенциала [1] [2] в коллоидных дисперсиях . В литературе по коллоидной химии он обычно обозначается греческой буквой дзета (ζ) , отсюда ζ-потенциал . Обычно используются вольт (В) или милливольт (мВ). С теоретической точки зрения дзета-потенциал - это электрический потенциал в межфазном двойном слое (DL) в месте плоскости скольжения относительно точки в объеме жидкости вдали от границы раздела. Другими словами, дзета-потенциал - это разность потенциаловмежду диспергирующей средой и неподвижным слоем жидкости, прикрепленной к диспергированной частице .

Дзета-потенциал вызывается чистым электрическим зарядом, содержащимся в области, ограниченной плоскостью скольжения, а также зависит от местоположения этой плоскости . Таким образом, он широко используется для количественной оценки величины заряда. Однако дзета-потенциал не равен потенциалу Штерна или электрическому поверхностному потенциалу в двойном слое, [3] [4] [5] [6], потому что они определены в разных местах. Подобные предположения о равенстве следует применять с осторожностью. Тем не менее, дзета-потенциал часто является единственным доступным путем для характеристики свойств двойного слоя.

Дзета-потенциал является ключевым показателем стабильности коллоидных дисперсий. Величина дзета-потенциала указывает степень электростатического отталкивания между соседними одинаково заряженными частицами в дисперсии. Для молекул и частиц, которые достаточно малы, высокий дзета-потенциал будет обеспечивать стабильность, то есть раствор или дисперсия будут сопротивляться агрегации. Когда потенциал невелик, силы притяжения могут превысить это отталкивание, и дисперсия может разрушиться и образоваться хлопья . Таким образом, коллоиды с высоким дзета-потенциалом (отрицательным или положительным) электрически стабилизированы, в то время как коллоиды с низким дзета-потенциалом имеют тенденцию коагулировать или флокулировать, как показано в таблице. [7] [8]

Стабильное поведение коллоида в зависимости от дзета-потенциала [9]
Дзета-потенциал (мВ)Стабильность поведения
От 0 до ± 5Быстрая коагуляция или флокуляция
От ± 10 до ± 30Начавшаяся нестабильность
От ± 30 до ± 40Умеренная стабильность
От ± 40 до ± 60Хорошая стабильность
> 61Отличная стабильность

Измерение [ править ]

Дзета-потенциал нельзя измерить напрямую, но он может быть рассчитан с использованием теоретических моделей и экспериментально определенной электрофоретической подвижности или динамической электрофоретической подвижности .

Электрокинетические явления и электроакустические явления - обычные источники данных для расчета дзета-потенциала. (См. Титрование дзета-потенциала .)

Электрокинетические явления [ править ]

Основная статья: Электрокинетические явления

Электрофорез используется для оценки дзета-потенциала частиц , в то время как потенциал / ток потока используется для пористых тел и плоских поверхностей. На практике дзета-потенциал дисперсии измеряется путем приложения электрического поля к дисперсии. Частицы в дисперсии с дзета-потенциалом будут мигрировать к электроду с противоположным зарядом со скоростью, пропорциональной величине дзета-потенциала.

Эта скорость измеряется методом лазерного доплеровского анемометра . Сдвиг частоты или фазовый сдвиг падающего лазерного луча, вызванный движущимися частицами, измеряется как подвижность частиц, и эта подвижность преобразуется в дзета-потенциал путем ввода вязкости диспергатора и диэлектрической проницаемости , а также применения теорий Смолуховского. [10]

Электрофорез [ править ]

Основная статья: Электрофорез

Электрофоретическая подвижность пропорциональна электрофоретической скорости, которая является измеряемым параметром. Существует несколько теорий, связывающих электрофоретическую подвижность с дзета-потенциалом. Они кратко описаны в статье об электрофорезе и подробно во многих книгах по коллоидам и интерфейсам. [3] [4] [5] [11] Существует технический отчет IUPAC [12], подготовленный группой мировых экспертов по электрокинетическим явлениям. С инструментальной точки зрения существует три различных экспериментальных метода: микроэлектрофорез , электрофоретическое рассеяние света и настраиваемое резистивное импульсное зондирование.. Преимущество микроэлектрофореза заключается в получении изображения движущихся частиц. С другой стороны, это осложняется электроосмосом на стенках ячейки для образца. Электрофоретическое рассеяние света основано на динамическом рассеянии света . Он позволяет проводить измерения в открытой ячейке, что устраняет проблему электроосмотического потока, за исключением случая капиллярной ячейки. И его можно использовать для характеристики очень мелких частиц, но ценой потери способности отображать изображения движущихся частиц. Настраиваемый резистивный импульсный датчик (TRPS) - это метод измерения на основе импеданса, который измеряет дзета-потенциал отдельных частиц на основе длительности резистивного импульсного сигнала. [13] Продолжительность транслокацииНаночастицы измеряются как функция напряжения и приложенного давления. Из зависимости времени обратной транслокации от зависящей от напряжения электрофоретической подвижности и, таким образом, рассчитываются дзета-потенциалы. Основное преимущество метода TRPS заключается в том, что он позволяет одновременно измерять размер и поверхностный заряд для отдельных частиц, что позволяет анализировать широкий спектр синтетических и биологических нано / микрочастиц и их смесей. [14]

Все эти методы измерения могут потребовать разбавления пробы. Иногда это разбавление может повлиять на свойства образца и изменить дзета-потенциал. Есть только один оправданный способ выполнить такое разбавление - использовать равновесный супернатант . В этом случае будет поддерживаться межфазное равновесие между поверхностью и основной жидкостью, и дзета-потенциал будет одинаковым для всех объемных долей частиц в суспензии. Если разбавитель известен (как в случае химического состава), можно приготовить дополнительный разбавитель. Если разбавитель неизвестен, равновесный супернатант легко получить центрифугированием .

Электроакустические явления [ править ]

Основная статья: Электроакустические явления

Существует два электроакустических эффекта, которые широко используются для характеристики дзета-потенциала: ток коллоидной вибрации и амплитуда электрического звука . [5] Существуют коммерчески доступные инструменты, которые используют эти эффекты для измерения динамической электрофоретической подвижности, которая зависит от дзета-потенциала.

Электроакустические методы имеют преимущество в том, что они могут проводить измерения в неповрежденных образцах без разбавления. Опубликованные и хорошо проверенные теории допускают такие измерения при объемных долях до 50%. Расчет дзета-потенциала на основе динамической электрофоретической подвижности требует информации о плотностях частиц и жидкости. Кроме того, для более крупных частиц, размер которых превышает примерно 300 нм, также требуется информация о размере частиц. [ необходима цитата ]

Расчет [ править ]

Наиболее известная и широко используемая теория для расчета дзета-потенциала на основе экспериментальных данных - это теория, разработанная Марианом Смолуховским в 1903 году. [15] Эта теория была первоначально разработана для электрофореза; однако теперь доступно и дополнение к электроакустике. [5] Теория Смолуховского сильна, потому что она верна для дисперсных частиц любой формы и любой концентрации . Однако у него есть свои ограничения:

  • Подробный теоретический анализ показал , что теория Смолуховской справедливо лишь при достаточно тонкий двойной слой, когда длина Дебая , , гораздо меньше , чем радиус частиц, :
Модель «тонкого двойного слоя» предлагает огромные упрощения не только для теории электрофореза, но и для многих других электрокинетических и электроакустических теорий. Эта модель применима для большинства водных систем, поскольку длина Дебая обычно составляет всего несколько нанометров в воде. Модель нарушается только для наноколлоидов в растворе с ионной силой, близкой к ионной силе чистой воды.
  • Теория Смолуховского не учитывает вклад поверхностной проводимости . В современных теориях это выражается как условие малого числа Духина :

Развитие электрофоретических и электроакустических теорий с более широким диапазоном действия было целью многих исследований в течение 20 века. Существует несколько аналитических теорий, которые учитывают поверхностную проводимость и устраняют ограничение малого числа Духина как для электрокинетических, так и для электроакустических приложений.

Ранние новаторские работы в этом направлении восходят к Овербеку [16] и Буту. [17]

Современные строгие электрокинетические теории, применимые к любому дзета-потенциалу, а зачастую и к любому , происходят в основном из советских украинских (Духин, Шилов и другие) и австралийских (О'Брайен, Уайт, Хантер и других) школ. Исторически первой была теория Духина – Семенихина. [18] Похожая теория была создана десять лет спустя О'Брайеном и Хантером. [19] Предполагая тонкий двойной слой, эти теории дадут результаты, очень близкие к численному решению, предоставленному О'Брайеном и Уайтом. [20] Существуют также общие электроакустические теории, справедливые для любых значений длины Дебая и числа Духина. [5] [11]

Уравнение Генри [ править ]

«Уравнение Генри» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о газовом законе, см . Закон Генри .

Когда κa находится между большими значениями, когда доступны простые аналитические модели, и низкими значениями, когда допустимы численные расчеты, уравнение Генри можно использовать, когда дзета-потенциал низкий. Для непроводящей сферы уравнение Генри , где f 1 - функция Генри, является одной из набора функций, которые плавно изменяются от 1,0 до 1,5, когда κa приближается к бесконечности. [21]

Ссылки [ править ]

  1. ^ IUPAC , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « электрокинетический потенциал, ζ ». DOI : 10,1351 / goldbook.E01968
  2. ^ Международный стандарт ISO 13099, части 1,2 и 3, «Коллоидные системы - методы определения дзета-потенциала», (2012)
  3. ^ a b Lyklema, J. "Основы интерфейсной и коллоидной науки" , том 2, стр. 3.208, 1995 ISBN  0-12-460529-X
  4. ^ a b Рассел, У. Б., Сэвилл, Д. А. и Шовальтер, У. Р. "Коллоидные дисперсии" , Cambridge University Press, 1992 ISBN 0-521-42600-6 [ необходима страница ] 
  5. ^ a b c d e Духин, А.С. и Гетц, П.Дж. Определение характеристик жидкостей, нано-, микрочастиц и пористых тел с помощью ультразвука , Elsevier, 2017 ISBN 978-0-444-63908-0 [ требуется страница ] 
  6. ↑ Кирби, Би Джей (2010). Микро- и наномасштабная механика жидкости: транспорт в микрофлюидных устройствах . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-11903-0.[ требуется страница ]
  7. ^ Greenwood, R .; Кендалл, К. (апрель 1999 г.). «Выбор подходящих диспергаторов для водных суспензий порошков диоксида циркония и диоксида титана с использованием акустофореза». Журнал Европейского керамического общества . 19 (4): 479–488. DOI : 10.1016 / S0955-2219 (98) 00208-8 .
  8. ^ Ханаор, ДАХ; Michelazzi, M .; Леонелли, С .; Соррелл, CC (2012). «Влияние карбоновых кислот на водную дисперсию и электрофоретическое осаждение ZrO 2 ». Журнал Европейского керамического общества . 32 (1): 235–244. arXiv : 1303,2754 . DOI : 10.1016 / j.jeurceramsoc.2011.08.015 .
  9. ^ Кумар, Аджит; Диксит, Чандра Кумар (2017). «Методы характеристики наночастиц». Достижения в области наномедицины для доставки терапевтических нуклеиновых кислот . С. 43–58. DOI : 10.1016 / B978-0-08-100557-6.00003-1 . ISBN 9780081005576.
  10. ^ Дзета-потенциал с использованием лазерного доплеровского электрофореза - Malvern.com
  11. ^ a b Хантер, RJ "Основы коллоидной науки", Oxford University Press, 1989 ISBN 0-19-855189-4 [ необходима страница ] 
  12. ^ Дельгадо, А.В.; González-Caballero, F .; Хантер, RJ; Koopal, LK; Ликлема, Дж. (1 января 2005 г.). «Измерение и интерпретация электрокинетических явлений (Технический отчет IUPAC)». Чистая и прикладная химия . 77 (10): 1753–1805. DOI : 10,1351 / pac200577101753 . ЛВП : 10481/29099 .
  13. ^ "Измерение дзета-потенциала с помощью TRPS" . Изон Наука .
  14. ^ Фогель, Роберт; Pal, Anoop K .; Джамбхрункар, Сиддхартх; Патель, Прагнеш; Thakur, Sachin S .; Реатеги, Эдуардо; Parekh, Harendra S .; Саа, Паула; Стасинопулос, Адонис; Брум, Мюррей Ф. (12 декабря 2017 г.). «Характеристика дзета-потенциала биологических наночастиц с высоким разрешением с использованием настраиваемого резистивного импульсного датчика» . Научные отчеты . 7 (1): 17479. Bibcode : 2017NatSR ... 717479V . DOI : 10.1038 / s41598-017-14981-х . PMC 5727177 . PMID 29234015 .  
  15. ^ Смолуховский, Марьян (1903). "Przyczynek сделать teoryi endosm Ozy elektrycznej я kilku zjawisk pokrewnych" [Вклад в теорию электро-осмос и связанных с ними явлений] (PDF) (на польском языке). Архивировано из оригинального (PDF) 10 августа 2017 года.
  16. ^ Overbeek, J.Th.G (1943). «Теория электрофореза - эффект релаксации». Колл. Bith. : 287.
  17. ^ Бут, Ф. (1948). «Теория электрокинетических эффектов». Природа . 161 (4081): 83–6. Bibcode : 1948Natur.161 ... 83B . DOI : 10.1038 / 161083a0 . PMID 18898334 . 
  18. ^ Духин, SS и Семенихин Н.М. Колл. Жур. , 32, 366 (1970)
  19. ↑ О'Брайен, Ричард Виндхэм; Хантер, Роберт Джон (июль 1981 г.). «Электрофоретическая подвижность крупных коллоидных частиц». Канадский химический журнал . 59 (13): 1878–1887. DOI : 10.1139 / v81-280 .
  20. ^ О'Брайен, Ричард В .; Уайт, Ли Р. (1978). «Электрофоретическая подвижность сферической коллоидной частицы». Журнал химического общества, Труды Фарадея 2 . 74 : 1607 DOI : 10.1039 / F29787401607 .
  21. ^ Дельгадо, А.В.; González-Caballero, F .; Хантер, RJ; Koopal, LK; Ликлема, Дж. (01.01.2005). «Измерение и интерпретация электрокинетических явлений (Технический отчет IUPAC)». Чистая и прикладная химия . 77 (10): 1753–1805. DOI : 10,1351 / pac200577101753 . ЛВП : 10481/29099 . ISSN 1365-3075 .