Układy zdyspergowane
Wykład 6
Treśd
•
•
•
•
Podwójna warstwa elektryczna
Zjawiska elektrokinetyczne
Potencjał zeta
Nowoczesne metody oznaczania
Stabilnośd dyspersji
• Stabilnośd dyspersji koloidalnej
jest wypadkową sumy sił
przyciągających (Van der
Waalsa) i odpychających
(elektrostatycznych) , którym
poddawane są cząstki
wzajemnie zbliżające się do
siebie
• Stabilnośd tę dyspersja może
utracid w wyniku procesów o
różnych mechanizmach.
Flokulacja
Układ stabilny
Koagulacja
Sedmentacja
Flokulacja
Sedymentacja
Koagulacja
Podział fazy
Stabilnośd dyspersji
• Stabilnośd dyspersji koloidalnej
jest wypadkową sumy sił
przyciągających (Van der
Waalsa) i odpychających
(elektrostatycznych) , którym
poddawane są cząstki
wzajemnie zbliżające się do
siebie
• Stabilnośd tę dyspersja może
utracid w wyniku procesów o
różnych mechanizmach.
Stabilnośd dyspersji
• Stabilnośd dyspersji koloidalnej
jest wypadkową sumy sił
przyciągających (Van der
Waalsa) i odpychających
(elektrostatycznych) , którym
poddawane są cząstki
wzajemnie zbliżające się do
siebie
• Stabilnośd tę dyspersja może
utracid w wyniku procesów o
różnych mechanizmach.
Zachowanie stabilności dyspersji
• Odpowiedzialne są dwa zasadnicze mechanizmy:
ELEKTROSTATYCZNY
Łatwy do zmierzenia parametr
odpowiedzialny za stabilność
(potencjał zeta)
Odwracalny
Może wymagać jedynie zmiany pH
lub stężenia elektrololitu
STERYCZNY
Prosty, ale niezbyt powszechny
Nieodwracalny
Wymaga dodatkowego składnika
Skąd bierze się ładunek w roztworach
wodnych
• W większości układów koloidalnych cząstki posiadają ładunek
• Pochodzenie ładunku powierzchniowego zależy od rodzaju
cząstek i otaczającego medium. Za jego powstawanie
odpowiadają
– Dysocjacja grup powierzchniowych
– Preferencyjna migracja jonów z powierzchni cząstek
– Adsorpcja jonów lub jonowego surfaktanta na powierzchni cząstek
• Ładunek powierzchniowy powoduje wzrost stężenia
przeciwjonów w pobliżu powierzchni cząstek
Podwójna warstwa elektryczna
Podwójna warstwa elektryczna
Potencjał Zeta
Potencjał Zeta
Potencjał Zeta
Potencjał zeta jest potencjałem
elektrycznym na powierzchni poślizgu
(hydrodynamicznej powierzchni ścinania)
Co to jest potencjał zeta?
• Potencjał zeta zależy od chemicznych cech zarówno
powierzchni cząstki, jak medium ciągłego
• Dla układów stabilizowanych elektrostatycznie, im
większy jest potencjał zeta, tym bardziej
prawdopodobne jest zachowanie stabilności dyspersji
• W układach wodnych przyjmuje się wartośd ok. 30mV
jako wartośd graniczną wyznaczającą stabilnośd dyspersji
• Potencjał zeta jest miarą oddziaływao elektrostatycznych
pomiędzy cząstkami i może byd wykorzystany do oceny
stabilności dyspersji, a zatem także jej trwałości podczas
przechowywania
Czynniki wpływające na wartośd
potencjału zeta
• Potencjał zeta można zmodyfikowad poprzez
zmiany
–
–
–
pH
przewodnictwa (stężenia i/lub typu rozpuszczonej
soli)
stężenia składnika układu (np. polimeru,
surfaktantu)
Potencjał zeta (mV)
Potencjał zeta a pH
+30
0
-30
Punkt izoelektryczny
1
2
3
4
5
6
7
8
pH
9
10
11
12
13
14
• Niespecyficzna adsorpcja
jonów nie ma wpływu na
położenie punktu
izoelektrycznego
• Niespecyficzna adsorpcja
może spowodowad
zmiany potencjału zeta
dyspersji cząstek
• Przykład: tlenek glinu i
KNO3
Potencjał zeta (mV)
Potencjał zeta a niespecyficzna
adsorpcja jonów
• Niespecyficzna adsorpcja
jonów nie ma wpływu na
położenie punktu
izoelektrycznego
• Niespecyficzna adsorpcja
może spowodowad
zmiany potencjału zeta
dyspersji cząstek
• Przykład: tlenek glinu i
KNO3
Potencjał zeta (mV)
Potencjał zeta a niespecyficzna
adsorpcja jonów
zmiana punktu izoelektrycznego
Zjawiska elektrokinetyczne
• Ważną konsekwencją istnienia ładunku na
powierzchni cząstek są niektóre ich
zachowania pod działaniem pola
elektrycznego
• Takie zachowania są wspólnie określone jako
ZAJWISKA ELEKTROKINETYCZNE
• Są cztery typy zjawisk, zależnie od tego, w jaki
sposób generuje się ruch
Zjawiska elektrokinetyczne
• Elektroforeza: ruch naładowanych cząstek względem
rozpuszczalnika pod wpływem przyłożonego pola
elektrycznego
• Elektroosmoza: ruch cieczy względem unieruchomionych,
naładowanych cząstek pod wpływem przyłożonego pola
elektrycznego
• Potencjał przepływowy: pole elektryczne generowane przez
wymuszony ruch cieczy względem unieruchomionych,
naładowanych cząstek
• Potencjał sedymentacyjny: pole elektryczne generowane
przez wymuszony ruch naładowanych cząstek względem
nieruchomego rozpuszczalnika
Pomiar potencjału zeta
• Elektroforeza jest to ruch naładowanych cząstek względem
rozpuszczalnika pod wpływem przyłożonego pola
elektrycznego
-
+
Cząstki poruszają się z
charakterystyczną szybkością, zależną
od:
 Natężenia pola

 Stałej dielektrycznej ośrodka

 Lepkości ośrodka

 Potencjału zeta

Elektroforeza
POTENCJAŁ ZETA wiąże się z
RUCHLIWOŚCIĄ ELEKTROFORETYCZNĄ
poprzez WZÓR HENRY’EGO
2()
 =
3
 = ruchliwość elektroforetyczna
z = potencjał zeta
e = stała dielektryczna
h = lepkość
() = funkcja Henry’ego
Funkcja Henry’ego F(ka)
• Jednostką k jest odwrotnośd długości; 1/k
odpowiada „grubości” podwójnej warstwy
elektrycznej (promieo Debye’a)
• a = promieo cząstki
• ka = stosunek promienia cząstki do promienia
podwójnej warstwy elektrycznej (1/ka = a/k)
Funkcja Henry’ego F(ka)
Medium
niepolarne
a
Medium
polarne
1/k
a
1/k
Przybliżenie
Hückla
Przybliżenie
Smoluchowskiego
F(ka) = 1.0
F(ka) = 1.5
Metody wyznaczania potencjału zeta
• Laserowy efekt Dopplera podczas
elektroforezy (Laser Doppler Electrophoresis
(LDE))
• Elektroforetyczne rozpraszanie światła
(Electrophoretic Light Scattering (ELS))
Laserowy efekt Dopplera podczas
elektroforezy
• Wiązka laserowa jest przepuszczana przez próbkę
umieszczoną w celce kapilarnej i poddanej elektroforezie.
Światło rozproszone przez ma zmienioną częstotliwośd.
• Przesunięcie częstotliwości Δ jest równe:
 =     /
•  – szybkośd ruchu cząstek
•  – długośd fali światła laserowego
•  – kąt rozpraszania
Pomiar potencjału zeta z wykorzystaniem
laserowego efektu Dopplera podczas
elektroforezy
Prędkość cząstki v=0
F1
Światło rozproszone ma
taką samą
częstotliwość, jak
padające światło lasera
Prędkość cząstki v>0
F1
F1
v
Światło rozproszone ma
teraz większą
częstotliwość, niż
padające światło lasera
F2
Pomiar potencjału zeta z
wykorzystaniem laserowego efektu
Dopplera podczas elektroforezy
• Częstotliwośd światła jest b. duża (1014Hz), a zatem zmianę
częstotliwości można mierzyd tylko przez mieszanie optyczne lub
interferometrycznie
• Można to osiągnąd stosując parę wzajemnie koherentnych wiązek
laserowych z tego samego źródła i przebywających podobny dystans
• Jedna z wiązek musi przechodzid przez badaną dyspersję (jest to
tzw. wiązka rozproszona)
• Druga wiązka (tzw. wiązka odniesienia) przebiega wokół celki
pomiarowej
• Wiązka rozproszona jest następnie łączona z wiązka odniesienia, by
uzyskad zmiany intensywności
Jak powstają takie zmiany?
Jak powstają takie zmiany?
Wiązka odniesienia F1
F1
Jak powstają takie zmiany?
Wiązka odniesienia F1 i wiązka rozproszona F2
F1
F2
Jak powstają takie zmiany?
Wiązka odniesienia F1 i wiązka rozproszona F2
F1
F2
Po połaczeniu…
Jak powstają takie zmiany?
Wiązka odniesienia F1 i wiązka rozproszona F2
F1
F2
Jak powstają takie zmiany?
Wiązka odniesienia F1 i wiązka rozproszona F2
F1
F2
 −  = Δ
Jak powstają takie zmiany?
Wiązka odniesienia F1 i wiązka rozproszona F2
F1
F2
A
A
B
Dwie fale oddziaływają
wzmacniająco w p. A,
a wygaszająco w p. B
 −  = Δ
Wskutek interferencji obserwujemy falę o cząstotliwości
znacznie mniejszej, równej  − 
Pulsujące światło kierowane jest na
detektor
Oto wspomniane pulsujące światło padające na detektor
Kierunek ruchu cząstek, a zatem znak potencjału zeta, określa
się porównując pulsacje z pulsacjami generowanymi sztucznie
Download

Potencjał zeta (mV )