Tekst źródłowy strony Potencjał elektrokinetyczny

'''Potencjał elektrokinetyczny, potencjał dzeta, potencjał zeta, potencjał ζ''' – [[Potencjał elektryczny|potencjał]] występujący przy powierzchni ciała stałego lub innych cząstek rozproszonych ([[emulsja|emulsje]]), kontaktującej się z [[Roztwór|roztworem]] [[elektrolit]]u, określany na granicy poślizgu. Granica ta jest powierzchnią oddzielającą tę część [[Granica faz|przestrzeni międzyfazowej]], która zawiera [[jon]]y 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 [[Zjawisko elektrokinetyczne|zjawisk elektrokinetycznych]].

== Rodzaje zjawisk elektrokinetycznych ==
Gdy obie fazy, występujące w układzie faza rozproszona-roztwór elektrolitu, powiązane [[Oddziaływanie elektrostatyczne|oddziaływaniami elektrostatycznymi]], przemieszczają się lub mogą się przemieszczać względem siebie (zob. [[kinetyka]]), obserwowane są efekty nazywane zjawiskami elektrokinetycznymi. Wśród tych zjawisk są wymieniane{{r|IUPAC|Bursa|Basinski}}:
* powstawanie potencjału między różnymi punktami układu w wyniku wzajemnego przemieszczania się faz:
** powstawanie [[potencjał przepływu|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 [[potencjał sedymentacji|potencjału sedymentacji]] (efekt [[Friedrich Ernst Dorn|Dorna]]), gdy opadające cząstki ciała stałego (np. cząstek [[zawiesina|zawiesiny]]) przemieszczają się względem nieruchomego roztworu (np. różnica potencjałów między krańcowymi punktami kolumny, w której zachodzi [[sedymentacja]]),
* ruch faz względem siebie pod wpływem zewnętrznego [[Napięcie elektryczne|napięcia]]:
** ruch cieczy względem nieruchomej fazy stałej – np. proces [[elektroosmoza|elektroosmozy]] (zjawisko odwrotne do powstawania potencjału przepływu),
** przemieszczanie się ciała stałego względem nieruchomej cieczy – np. proces [[elektroforeza|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 [[adsorpcja|adsorpcji]] i [[Prawo Coulomba#Prawo Coulomba dla układu ładunków punktowych|oddziaływania elektrostatycznego]]) od warstwy ruchomej (nazywanej „rozmytą” lub „[[Dyfuzja|dyfuzyjną]]”{{u|uwaga1}}).

{{Grafika rozwinięta
|opis       =
|położenie  = center
|grafika1   = Diagram of zeta potential and slipping planeV2-pl.svg
|szerokość1 = 280
|alt1       = 1
|opis1      = Rozmieszczenie [[jon]]ów w [[Podwójna warstwa elektryczna|podwójnej warstwie elektrycznej]] otaczającej cząstkę [[Układ koloidalny|koloidu]] [[liofobowość|liofobowego]]<br /><small>1 – potencjał powierzchni</small><br /><small>2 – potencjał Sterna</small><br /><small>3 – potencjał dzeta (na granicy poślizgu)</small>
|grafika2   = Electrical double layer.svg
|szerokość2 = 284
|alt2       = 2
|opis2      = Schemat rozmieszczenia [[jon]]ów w [[Podwójna warstwa elektryczna|podwójnej warstwie elektrycznej]] na ściankach [[Kapilara|kapilary]]<br /><small>1 – warstwa adsorpcyjna</small><br /><small>2 – warstwa dyfuzyjna{{u|uwaga1}}</small>
}}

== Podstawy teoretyczne ==
[[Plik:Warstwa-podwojna.svg|thumb|300px|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 [[ładunek elektryczny|ładunku]] jak okładki [[kondensator]]a. Konsekwencją tego założenia było stwierdzenie, że potencjał elektryczny w warstwie przypowierzchniowej [[Zależność zmiennych losowych#Zależność liniowa|zmienia się liniowo]] wraz z odległością. Model zmodyfikowali [[Louis Georges Gouy|L.G. Gouy]] (1909) i [[David Leonard Chapman|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 [[Polacy|polski]] [[Fizyka|fizyk]], [[Marian Smoluchowski]] (1872–1917), który – wspólnie z [[Albert Einstein|Albertem Einsteinem]] – opracował teorię [[Dyfuzja|dyfuzji]], uwzględniającą rolę [[Ruchy Browna|ruchów Browna]]{{r|Bursa|Smoluchowski1|Smoluchowski2}}.

Dotychczas nie powstał jeden, ogólnie obowiązujący, [[modelowanie matematyczne|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{{r|Bursa|kopaliny}}.

Grubość obu części warstwy podwójnej jest [[rząd wielkości|rzędu]] [[nanometr]]ów. Jest ona zmienna – zależna od składu roztworu i czynników fizycznych – i ściśle związana z wartością [[długość Debye’a|długości Debye’a]], którą wyraża się jako:
: <math>\kappa^{-1} = \sqrt\frac{\varepsilon_r \varepsilon_0 k_B T}{2 N_A e^2 I},</math>
{{Układ wielokolumnowy |szerokość=19em <!-- od 8 do 19 --> |liczba=3 |
: gdzie:
: <math>I</math> – [[siła jonowa]] elektrolitu [mol/m³],
: zob. [[Rozszerzone prawo Debye’a-Hückla|prawo Debye’a-Hückla]],
: <math>\varepsilon_0</math> – [[przenikalność elektryczna]],
: <math>\varepsilon_r</math> – [[względna przenikalność elektryczna|przenikalność względna]],
: <math>k_B</math> – [[stała Boltzmanna]],
: <math>T</math> – temperatura absolutna &#91;[[kelwin|K]]],
: <math>N_A</math> – [[stała Avogadra]],
: <math>e</math> – [[ładunek elektryczny elementarny]].
}}
[[Plik:Potencjal-zeta-zmiennosc.svg|thumb|center|600px|Potencjał elektrokinetyczny (dzeta):<br />1&nbsp;–&nbsp;definicja potencjału dzeta (ζ&nbsp;–&nbsp;potencjał w punkcie&nbsp;d), 2&nbsp;–&nbsp;zależność ζ od [[Skala pH|pH]] i stężenia soli <math>(c_1 > c_2 > c_3)</math> oraz [[punkt izoelektryczny]], 3&nbsp;–&nbsp;zależności ζ od rodzaju cząstek faz rozproszonych i pH (przykłady poglądowe){{r|Bursa|kopaliny}}]]
Potencjał elektrokinetyczny różnych faz rozproszonych zależy w dużym stopniu od stężenia jonów wodorowych. Dla różnych układów koloidalnych istnieje wartość [[Skala pH|pH]], przy której potencjał elektrokinetyczny jest równy zeru ([[punkt izoelektryczny]]) i odpychanie elektrostatyczne nie przeciwdziała [[Koagulacja|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){{r|kopaliny}}.

== 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{{r|Bursa}}:
* prędkości cząstek <math>(u)</math> poruszających się w czasie elektroforezy w cieczy o lepkości <math>\eta</math> w polu o gradiencie potencjału <math>H{:}</math>
: <math>\zeta = \frac{k \eta u}{H \epsilon},</math>
* objętości cieczy przepływającej w czasie elektroosmozy przez przegrodę o powierzchni <math>s</math> pod wpływem gradientu potencjału <math>H{:}</math>
: <math>\zeta = \frac{k \eta v}{s H \epsilon}.</math>

Stała <math>k</math> jest zależna od kształtu cząstek; przyjmuje się np. że k = 6 w przypadku cząstek kulistych i k = 4 w przypadku cząstek cylindrycznych{{r|Bursa}}.

== Przykładowe wartości ==
{| class="wikitable"
|+ Potencjał elektrokinetyczny dla emulsji i zawiesin w wodzie{{r|Bursa}}
| width="150px" align="center" style="background:#f0f0f0;"| '''Faza rozdrobniona'''
| width="150px" align="center" style="background:#f0f0f0;"| '''Średnica cząstek [nm]'''
| width="150px" align="center" style="background:#f0f0f0;"| '''Potencjał ζ [mV]'''
|-
| Emulsja oleju ||style="text-align:center"| 2000 ||style="text-align:center"| –46
|-
| Emulsja parafiny ||style="text-align:center"| 724 ||style="text-align:center"| –57,4
|-
| Zawiesina kwarcu ||style="text-align:center"| 1000 ||style="text-align:center"| –44
|-
| Zawiesina gliny ||style="text-align:center"| 1000 ||style="text-align:center"| –48,8
|-
| Zol złota ||style="text-align:center"| ok. 80 ||style="text-align:center"| –32
|-
| Zol {{Chem|As|2|S|3}} ||style="text-align:center"| ok. 40 ||style="text-align:center"| –32
|-
| Zol {{Chem|Fe(OH)|3}} ||style="text-align:center"| ok. 100 ||style="text-align:center"| 44
|}

== Zobacz też ==
* [[Stanisław Glixelli]]

== Uwagi ==
{{Uwagi|
<ref name="uwaga1">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).</ref>
}}

== Przypisy ==
{{Przypisy|
* <ref name=Bursa>{{cytuj książkę |autor = [[Stanisław Bursa]] |tytuł = Chemia fizyczna |wydanie = Wyd. 2 popr |strony= 577–582 |wydawca = [[Wydawnictwo Naukowe PWN|Państwowe Wydawnictwo Naukowe]]| miejsce = Warszawa |rok = 1979 |isbn = 83-01-00152-6}}</ref>
* <ref name=Basinski>{{cytuj książkę |autor = red. [[Antoni Basiński]] |tytuł = Chemia fizyczna |wydawca = [[Wydawnictwo Naukowe PWN|Państwowe Wydawnictwo Naukowe]] |strony = 770–771 |miejsce = Warszawa |rok = 1966}}</ref>
* <ref name="IUPAC">{{Cytuj stronę |url = https://archive.ph/20120709095131/http://goldbook.iupac.org/E01968.html |tytuł = Electrokinetic potential, ζ |praca = International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) |opublikowany = goldbook.iupac.org |język = en |data dostępu = 2014-03-01}} ([http://goldbook.iupac.org/PDF/E01968.pdf pdf]).</ref>
* <ref name="Smoluchowski1">{{Cytuj stronę |url = http://pldml.icm.edu.pl/pldml/element/bwmeta1.element.bwnjournal-article-pmsv1i1p403bwm |tytuł = Contribution à la théorie de l’Endosmose électrique et de quelques phénomènes corrélatifs |autor = [[Marian Smoluchowski]] |data = 1903 |praca = Bull. Int. Acad. Sci. Cracovie, 184 |język = en |data dostępu = 2014-03-01}} ([http://arxiv.org/pdf/1212.6002.pdf pdf]).</ref>
* <ref name="Smoluchowski2">{{Cytuj stronę |url = http://web.archive.org/web/20130910000755/http://www.chemia.dami.pl:80/wyzsza/rozdzial_X/koloidy2.htm |tytuł = Właściwości kinetyczne układów koloidalnych |praca = Chemia. Wirtualny podręcznik – podstawy i zastosowania |opublikowany = www.chemia.dami.pl |język = pl |archiwum = http://web.archive.org/web/20130910000755/http://www.chemia.dami.pl:80/wyzsza/rozdzial_X/koloidy2.htm |zarchiwizowano = 2013-09-10 |data dostępu=2017-04-18}}</ref>
* <ref name="kopaliny">{{Cytuj stronę |url = https://archive.ph/20150601075716/http://dydaktyka.polsl.pl/rg5/slaczka/chem_V_W12.html |tytuł = Zjawiska elektryczne na granicach faz ciało stałe – roztwór |autor = Monika Kujawska |praca = Materiały do wykładów z podstaw chemii wzbogacania kopalin |opublikowany = [[Politechnika Śląska]] |język = pl |data dostępu = 2014-03-02}}</ref>
}}

== Linki zewnętrzne ==
* [http://www.iupac.org/publications/pac/2005/pdf/7710x1753.pdf ''Measurement and interpretation of electrokinetic phenomena'']; 2005 IUPAC, Pure and Applied Chemistry 77, 1753–1805
* {{Cytuj stronę | url = http://karnet.up.wroc.pl/~pwoz/koloidy.html | tytuł = Potencjał elektrokinetyczny glebowych cząstek koloidalnych | opublikowany = karnet.up.wroc.pl | archiwum = https://web.archive.org/web/20140302202400/http://karnet.up.wroc.pl/~pwoz/koloidy.html | zarchiwizowano = 2014-03-02}} na: karnet.up.wroc.pl
* [http://www.minproc.pwr.wroc.pl/journal/pdf/1980/10%20Stachurski.pdf Józef Stachurski, Ewa Oruba (AGH Kraków, Instytut Przeróbki i Wykorzystania Surowców Mineralnych), ''Rola potencjału elektrokinetycznego barytu i fluorytu w procesie flotacji'' ''Wpływ pH środowiska na potencjał elektrokinetyczny węgli o różnym stopniu wuęglenia''] na: www.minproc.pwr.wroc.pl
* [http://www.minproc.pwr.wroc.pl/journal/pdf/1980/15%20Fijal.pdf Tadeusz Fijał, Ewa Małysa, Józef Stachurski (AGH Kraków, Instytut Przeróbki i Wykorzystania Surowców Mineralnych),] na: www.minproc.pwr.wroc.pl

* prof. Henryk Galina, [http://henrykgalina.sd.prz.edu.pl/file/MjMsNjcsMzAzNSx1el93Ni5wZGY= Wykład 6 ''Układy zdyspergowane''] na: henrykgalina.sd.prz.edu.pl
* {{Cytuj stronę | url = http://www.staff.amu.edu.pl/~chemfiz/Cwiczenie_8.pdf | tytuł = Waldemar Nowicki i Grażyna Nowicka, ''Koagulacja koloidów liofobowych''; ćwiczenie 8. ''Wyznaczenie progu koagulacji hydrozolu złota przez azotan potasowy'' | opublikowany = staff.amu.edu.pl | archiwum = https://web.archive.org/web/20140302185945/http://www.staff.amu.edu.pl/~chemfiz/Cwiczenie_8.pdf | zarchiwizowano = 2014-03-02}} na: www.staff.amu.edu.pl
* [http://www.lenntech.pl/zeta-potencjal.htm Oczyszczanie wody i powietrza > Potencjał Zeta] na www.lenntech.pl
* [http://www.malvern.com/en/products/measurement-type/zeta-potential/default.aspx There’s a Malvern instrument for you > Zeta potential] na: www.malvern.com
* [http://bc.pollub.pl/dlibra/publication/13944 prof. Marek Kosmulski, ''Nanocząstki i nanotechnologie''] na: bc.pollub.pl

{{Kontrola autorytatywna}}

[[Kategoria:Chemia analityczna]]
[[Kategoria:Chemia fizyczna]]
[[Kategoria:Elektrochemia]]