Zeta Potansiyeline Giriş ve Ölçümü

Zeta potansiyeli, teorisi ve kolloid stabilitesi için pratik uygulamaları açıklayan bir çevrimiçi eğitim. Bu sayfalar Malvern Instruments Ltd.’in izniyle yayınlanmıştır.

Kolloitlere Giriş

Maddenin üç hali – Gaz, sıvı ve katı.

Bu durumlardan biri diğerine ince bir şekilde dağılmışsa, bir KOLOİD SİSTEM vardır.
- AEROSOLLER – Bir gazda ince sıvı damlacıkları veya katı parçacıkların dispersiyonları (örneğin sisler, dumanlar)
- EMÜLSİYON – İnce yağ damlacıklarının sulu bir fazda dispersiyonları (örneğin süt)
- TERS EMÜLSİYONLAR – Sulu fazın sulu olmayan bir fazda dispersiyonları (örneğin ham yağ)
- SOLLAR veya KOLOİDAL SÜSPANSİYONLAR – İnce bir katı partikülün sıvı bir ortamda dispersiyonu (örneğin boyalar, çamurlar, bulamaçlar)
- JELLER – Sıvıdaki makromoleküllerin dispersiyonları.
- DERNEK KOLOİDLERİ – Yüzey aktif maddelerin molekülleri (örneğin yüzey aktif cisimleri), suda küçük agregalar (miseller) oluşturmak için bir araya getirilir. Bazı maddelerin oluşturduğu agregalar düzenli bir yapıyı benimseyebilir ve sıvı kristaller oluşturabilir.

Bu sistemler büyük pratik öneme sahip özel özelliklere sahiptir.

Bir dağılım ortamında ince bölünmüş halde düzgün bir şekilde dağılmış bir fazdan oluşurlar

Kolloidal Kararlılık

Bir dağılımdaki parçacıklar birbirine yapışabilir ve yerçekimi nedeniyle yerleşebilecek artan boyutta agregalar oluşturabilir.

İlk başta oluşturulmuş agrega flok olarak adlandırılır ve oluşumu flokülasyon olarak adlandırılır. Bu işlem geri dönüşümlüdür (Deflokülasyon)

Agreganın çok daha yoğun bir forma geçmesi durumunda, koagülasyona maruz kaldığı söylenir – bu işlem geri alınamaz.

1940’larda Derjaguin, Verway, Landau ve Overbeek, kolloidal stabilite ile ilgili bir teori geliştirdi. (DLVO Teorisi)
- DLVO Teorisi
- Kolloidal bir sistemin kararlılığının, elektriksel çift tabakalı itici ve van de Waals’ın parçacıkların birbirine yaklaşırken yaşadığı çekici kuvvetlerin toplamı tarafından belirlendiğini söylüyor.
- Teori itici kuvvetten kaynaklanan bir enerji bariyerinin iki parçacığın birbirine yaklaşmasını ve birbirine yapışmasını önlemesini önerir.
- Fakat parçacıklar bu bariyerin üstesinden gelmek için yeterli enerjiyle çarpışırlarsa, çekici kuvvet onları güçlü bir şekilde ve geri dönüşümsüz bir şekilde yapışacakları yere temas ettirir.

Kolloidal Stabilitenin Korunması

Kolloidal stabilite için, parçacıklar arasındaki itici kuvvetlerin (DLVO Teorisi) baskın olması gerekir.

Kolloidal stabiliteyi etkileyen iki temel mekanizma vardır. (Dağılma Kararlılığını Etkileyen Mekanizmalar)

1- Sterik Stabilizasyon – Bu, parçacık yüzeyine adsorbe olan ve itmeye neden olan sisteme eklenen polimerleri içerir.

- Sadece uygun bir polimerin eklenmesini gerektiren basit bir işlemdir.
- Bununla birlikte, gerekirse sistemi daha sonra topaklamak zor olabilir.
- Polimer pahalı olabilir ve bazı durumlarda istenmez (ör. Seramik bir kayma dökülürken polimerin yanması gerekir, büzülmeye ve olası kusurlara neden olur)

2- Elektrostatik veya Şarj Stabilizasyonu – Bu, yüklü türlerin sistemdeki dağılımına bağlı olarak parçacık etkileşimi üzerindeki etkidir.

Bir sistemin stabilizasyonu veya topaklanması, bir sistemdeki iyonların konsantrasyonunu değiştirerek kolayca değiştirilebilir

Bu geri dönüşümlü bir süreçtir.

Potansiyel olarak ucuzdur.

Zeta Potansiyeli, koloidal parçacıklar ve Zeta Potansiyel ölçümleri arasındaki etkileşimin büyüklüğünün çok iyi bir indeksidir, koloidal sistemlerin kararlılığını değerlendirmek için kullanılır.

Yüzey Yükünün Kökenleri

Sulu bir koloidal dispersiyondaki çoğu parçacık elektrik yükü taşır.

Parçacık ve çevresindeki ortamın yapısına bağlı olarak bu yüzey yükünün birçok kaynağı vardır.

Daha önemli mekanizmaları düşünün.
- Yüzey Gruplarının İyonlaşması.
  - Herhangi bir asidik grubun parçacık yüzeyindeki ayrışması negatif yüklü bir yüzey verecektir.
  - Herhangi bir temel grubun bir partikül yüzeyinde ayrılması, pozitif yüklü bir yüzey verecektir.
  - Yüzey yükünün büyüklüğü, yüzey gruplarının asidik veya bazik kuvvetlerine ve çözeltinin pH’ına bağlıdır.
- Kristal kafesden diferansiyel iyon kaybı
  - Bir Agl kristali suya yerleştirilirse, çözünmeye başlar.
  - Eşit miktarda Ag⁺ ve iyonları çözünecek olursa, yüzey yüksüz olacaktır.
  - Aslında Ag⁺ iyonları, negatif yüklü bir yüzey bırakarak tercihli olarak çözülür.
- Yüklü türlerin adsorpsiyonu (iyonlar ve iyonik yüzey aktif cisimleri)
  - Sürfaktan iyonları, bir partikülün yüzeyine spesifik olarak adsorbe edilebilir.
  - Katyonik yüzey aktif cisimleri, pozitif yüklü bir yüzeye yol açacaktır.
  - Anyonik yüzey aktif cisimleri, negatif yüklü bir yüzeye yol açar
  - Elektrikli Çift Katman
    - Parçacık yüzeyinde boş bir yükün oluşması, çevredeki arayüzey bölgesindeki iyonların dağılımını etkiler, yüzeyin yakınında karşı iyonların (partikülün karşıt yükünün iyonları) konsantrasyonunun artmasıyla sonuçlanır.
    - Böylece, her bir parçacık etrafında bir elektriksel çift katman bulunmaktadır.
    - Her parçanın etrafında elektrikli bir çift katman bulunur.
    - Parçacık çevreleyen sıvı tabaka iki parça halinde mevcuttur; iyonların güçlü bir şekilde bağlandığı bir iç bölge (Stern katmanı) ve daha az sıkı bir şekilde bağlandıkları bir dış (dağınık) bölge.
    - Bu dağınık katman içinde, içinde partikülün tek bir varlık gibi davrandığı kayma düzlemi olarak bilinen kavramsal bir sınırdır.
    - Bu sınırdaki potansiyel, Zeta Potansiyeli olarak bilinir.

- - Zeta Potansiyeli
  - Zeta potansiyeli, bir partikülün belirli bir ortamda elde ettiği toplam yüktür.
    - Zeta potansiyelinin büyüklüğü, kolloidal sistemin potansiyel stabilitesinin bir göstergesidir.
    - Tüm parçacıklar büyük bir negatif veya pozitif zeta potansiyeline sahipse, birbirlerini iterler ve dağılım kararlılığı vardır.
    - Parçacıkların düşük zeta potansiyel değerleri varsa, parçacıkların bir araya gelmesini önleme gücü yoktur ve dağılma kararsızlığı vardır.
    - Kararlı ve kararsız sulu dağılımlar arasında bir bölme çizgisi genellikle +30 veya -30mV’de alınır.
    - Zeta potansiyeli + 30mV’den daha pozitif olan partiküller normal olarak stabil kabul edilir.
    - Zeta potansiyeli -30mV’den daha negatif olan partiküller normal olarak stabil kabul edilir.
  - Zeta Potansiyelinin Etkisi
  - Zeta Potansiyeli ve pH
    - Zeta potansiyelini etkileyen en önemli faktör pH’dır.
    - Çevresinin tanımı olmadan alıntılanan bir zeta potansiyel değeri (pH, iyon gücü, herhangi bir katkı maddesinin konsantrasyonu) anlamsız bir sayıdır.
  - Zeta potansiyeli negatif olan bir partikül düşünün.
    - Eğer bu süspansiyona daha fazla alkali eklenirse, partiküller daha fazla negatif yük alma eğilimindedir.
    - Bu süspansiyona asit eklenirse, şarjın nötrleştirileceği bir noktaya erişilecektir.
    - Daha fazla asit eklenmesi, pozitif yük birikmesine neden olur.
    - Genel olarak, pH eğrisine karşı bir zeta potansiyeli düşük pH’de pozitif olacaktır. yüksek pH’da düşük veya negatif olacaktır.
    - Eğrinin sıfır zeta potansiyelinden geçtiği bir nokta olabilir.
    - Bu noktaya izoelektrik nokta denir ve pratik açıdan çok önemlidir.
    - Normalde kolloidal sistemin en az kararlı olduğu nokta.
    - Yukarıdaki örnekte, dispersiyon pH’sinin 4 veya 8’in altında olması durumunda stabilitenin sağlanması için yeterli yükün olduğu görülebilir. Bununla birlikte, sistemin pH’ı 4 ila 8 arasında ise, dağılım kararsız olabilir. Bu en çok pH 6 civarında (izoelektrik nokta) olması muhtemeldir.
  - Elektrokinetik Etkiler
    - Yüzeylerdeki elektrik yüklerinin varlığının önemli bir sonucu, partiküllerin uygulanan bir elektrik alanından etkileneceğidir.
    - Bunlar toplu olarak elektrokinetik etkiler olarak tanımlanır.
  - Hareketin indüklenme şekline bağlı olarak farklı etkiler vardır.
    - Elektroforez – yüklü bir parçacığın, uygulanmış bir elektrik alanının etkisi altında içinde tuttuğu sıvıya göre hareketi.
      - Bir elektrolitin üzerine bir elektrik alanı uygulandığında, elektrolitte asılı olan yüklü parçacıklar karşıdaki yükün elektroduna doğru çekilir.
        
        Parçacıklar, elektrik alanın gücüne (cihaz tarafından ölçülen), dielektrik sabitine ve ortamın viskozitesine (literatürden bilinir) ve zeta potansiyeline bağlı olan karakteristik bir hızla hareket eder.
        
        Bir birimin elektrik alanındaki bir partikülün hızı, elektroforetik mobilitesi olarak adlandırılır.
        
        Zeta potansiyeli Henry Denkleminin elektroforetik hareketliliği ile ilgilidir.
        
        Henry’nin İşlevi F (ka)
        
        Zeta potansiyeli HENRY EQUATION’ın elektroforetik hareketliliği ile ilgilidir.
        
        UE = 2 e z f(k a)
        
        3 h
        
        UE = elektroforetik mobilite
        
        z = zeta potansiyeli
        
        e = dielektrik sabiti
        
        h = viskozite
        
        f (k a) = Henry’nin işlevi
        
        K birimleri karşılıklı uzunluktadır ve elektriksel çift katmanın (Debye uzunluğu) 1 / k = “kalınlığı” dır.
        
        a = parçacık yarıçapı
        
        ka = partikül yarıçapının çift katmanlı kalınlığa oranı
        
        Kutupsal ortamdaki parçacıklar için maksimum F (ka) değeri 1,5’tir (Smoluchowski yaklaşımı)
        
        Polar olmayan ortamlardaki parçacıklar için minimum F (ka) değeri 1’dir (Hückel yaklaşımı)
    - Elektroozmoz: Bir sıvının bir elektrik alanının etkisi altında sabit yüklü bir yüzeye göre hareketi.
      - Kılcal hücrenin duvarları bir yüzey yükü taşır, böylece elektrik alanın uygulanması sıvının hücre duvarları boyunca akmasına neden olur. Buna elektroozmoz denir.
      - Kolloidal parçacıklar, elektroforetik hareketliliklerinde üst üste bu akıma maruz kalacaklar ve bunun da dikkate alınması gerekiyor.
      - Bununla birlikte, kapalı bir sistemde, duvarlar boyunca akışın parabolik bir profilde kılcalın ortasından aşağıya doğru bir akışla telafi edilmesi gerekmektedir. Sabit tabakanın pozisyonu hücrenin geometrisine bağlıdır ve herhangi bir kılcal hücre için belirlenebilir
      - Hücre içinde elektroozmotik akışın sıfır olduğu ve ölçülen parçacık hızının gerçek elektroforetik hareketlilik olduğu bir nokta var.
      - Bu nokta sabit katman olarak adlandırılır ve ölçümün yapıldığı yer.

Elektroforetik Hareketliliği Ölçme

- Bir elektroforez sistemi, potansiyelin uygulandığı her iki ucunda elektrotları olan bir kılcal hücreden oluşur.
- Erken yöntemler, mikroskop kullanarak ayrı ayrı partiküllerin doğrudan gözlemlenmesi ve bir gratul boyunca geçişlerinin zamanlanması ile ilgilidir.
- Güncel teknoloji lazer Doppler velosimetri tekniğini kullanır.
- Lazer Doppler Velosimetrisi
  - Lazer ışınları hücredeki sabit katmana hizalanır.
  - Kirişlerin kesişme noktasında, Young’ın bilinen aralıktaki girişim saçakları oluşur.
  - Uygulanan elektrik alanın etkisi altında saçaklarda hareket eden parçacıklar, yoğunluğu, parçacıkların hızı ile ilgili bir frekansla dalgalanan ışığın yayılmasıdır.
  - Algılanan fotonlar dijital bir korelatöre girilir.
  - Hareketlilik ve dolayısıyla zeta potansiyelinin hesaplandığı bir frekans spektrumu üretilir.

- Peki ya şarjı olmayan parçacıklar?
  - Yüksüz parçacıklar, uygulanan bir elektrik alanında hareket etmeyecektir.
  - Algılanamayacaklar.
  - Bu problem girişim parazitlerini hareket ettirerek aşılır.
  - Bu modülatör denilen bir cihaz kullanılarak yapılır.
- Saçaklar hareket eder, ancak parçacıklar hareket etmezse ne olur?
- Saçaklar ve parçacıklar hareket ederse ne olur?