Układy zdyspergowane. Wykład 6

Transkrypt

1 Układy zdyspergowane Wykład 6

2 Treśd Podwójna warstwa elektryczna Zjawiska elektrokinetyczne Potencjał zeta Nowoczesne metody oznaczania

3 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 Flokulacja Koagulacja Układ stabilny Sedmentacja Flokulacja Stabilnośd tę dyspersja może utracid w wyniku procesów o różnych mechanizmach. Sedymentacja Koagulacja Podział fazy

4 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.

5 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.

6 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

7 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

8 Podwójna warstwa elektryczna

9 Podwójna warstwa elektryczna

10 Potencjał Zeta

11 Potencjał Zeta

12 Potencjał Zeta Potencjał zeta jest potencjałem elektrycznym na powierzchni poślizgu (hydrodynamicznej powierzchni ścinania)

13 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

14 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)

15 Potencjał zeta (mv) Potencjał zeta a ph Punkt izoelektryczny ph

16 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 KNO 3

17 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 KNO 3 zmiana punktu izoelektrycznego

18 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

19 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

20 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

21 Elektroforeza POTENCJAŁ ZETA wiąże się z RUCHLIWOŚCIĄ ELEKTROFORETYCZNĄ poprzez WZÓR HENRY EGO U E = 2εzf(ka) 3η U E = ruchliwość elektroforetyczna z = potencjał zeta e = stała dielektryczna h = lepkość f(ka) = funkcja Henry ego

22 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)

23 Funkcja Henry ego F(ka) Medium niepolarne Medium polarne a 1/k a 1/k Przybliżenie Hückla F(ka) = 1.0 Przybliżenie Smoluchowskiego F(ka) = 1.5

24 Metody wyznaczania potencjału zeta Laserowy efekt Dopplera podczas elektroforezy (Laser Doppler Electrophoresis (LDE)) Elektroforetyczne rozpraszanie światła (Electrophoretic Light Scattering (ELS))

25 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 Δf jest równe: Δf = 2v sin θ 2 /λ v szybkośd ruchu cząstek λ długośd fali światła laserowego θ kąt rozpraszania

26 Pomiar potencjału zeta z wykorzystaniem laserowego efektu Dopplera podczas Prędkość cząstki v=0 elektroforezy F 1 Światło rozproszone ma taką samą częstotliwość, jak padające światło lasera Prędkość cząstki v>0 F 1 F 1 v Światło rozproszone ma teraz większą częstotliwość, niż padające światło lasera F 2

27 Pomiar potencjału zeta z wykorzystaniem laserowego efektu Dopplera podczas elektroforezy Częstotliwośd światła jest b. duża (10 14 Hz), 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

28 Jak powstają takie zmiany?

29 Jak powstają takie zmiany? Wiązka odniesienia F 1 F 1

30 Jak powstają takie zmiany? Wiązka odniesienia F 1 i wiązka rozproszona F 2 F 1 F 2

31 Jak powstają takie zmiany? Wiązka odniesienia F 1 i wiązka rozproszona F 2 F 1 F 2 Po połaczeniu

32 Jak powstają takie zmiany? Wiązka odniesienia F 1 i wiązka rozproszona F 2 F 1 F 2

33 Jak powstają takie zmiany? Wiązka odniesienia F 1 i wiązka rozproszona F 2 F 1 F 2 F 1 F 2 = Δf

34 Jak powstają takie zmiany? Wiązka odniesienia F 1 i wiązka rozproszona F 2 F 1 F 2 A B A Dwie fale oddziaływają wzmacniająco w p. A, a wygaszająco w p. B F 1 F 2 = Δf Wskutek interferencji obserwujemy falę o cząstotliwości znacznie mniejszej, równej F 1 F 2

35 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