Zetapotential Erklärung

Zetapotential

Definition

Das Zetapotential (auch ζ-Potential) ist das elektrokinetische Potential in einer kolloidalen Dispersion zwischen dem Dispersionsmedium und der stationären Schicht um das Partikel. (siehe Graphik). Theoretisch betrachtet ist es das elektrische Potential zwischen der äußeren Grenze der Grenzflächendoppelschicht (interfacial double layer (DL)) und einem Ort in der Dispersion.


Beschreibung

Das Zeta-Potential ist nicht identisch mit dem Stern-Potential oder dem elektrischen Oberflächenpotential der Doppelschicht.

Das  ζ-Potential ist ein Hauptindikator für die Stabilität einer kolloidalen Dispersion. Die Höhe zeigt den Grad an elektrostatischer Abstoßung zwischen benachbarten Partikel in einer Dispersion an.  Je höher das Potential, desto stabiler ist die Dispersion und desto unwahrscheinlicher ist eine Agglomeration. Bei geringem Potential können die anziehenden Kräfte überwiegen und es kommt zur Ausflockung.


Abhängigkeit Zeta-Potential – Stabilität

Zetapotential [mV] [1;2]

0 – 5      schnelle Agglomeration und Ausflockung
10 – 30  beginnende Instabilität
30 – 40 moderate Stabilität
40 – 60 gute Stabilität
>60       sehr gute Stabilität


Zetapotential und elektrophoretische Mobilität

Mit Hilfe der Henry-Gleichung kann das Zetapotential aus der elektrophoretischen Mobilität bestimmt werden [3]:

Henry-Gleichnung

UE = Elektrophoretische Mobilität
ε = Dielektrizitätskonstante
ζ = Zetapotential
f(ka) = Henry-Funktion (abhängig von der Debyelänge k und dem Partikelradius a)
η = Viskosität des Dispersionsmittels

 


Messung des Zetapotential

Messung Zetapotential
Geräteanordnung zur Messung des Zetapotential

Potentialverlauf

Zetapotential Diagramm
Abb.3 By Ashkena at the English language Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=22423941

 

Sowohl Abbildung 3 als auch das Beitragsbild beschreiben schematisch den Potentialverlauf in Abhängigkeit vom Abstand von der Partikeloberfläche. Die Abbildung basiert auf dem Sternmodell. Es ist ein Partikel dargestellt, welches eine negative Ladung an der Oberfläche trägt. Dort lagern sich positiv geladene Ionen an. Dieser Bereich wird auch Sternschicht genannt. In der Sternschicht existiert ein linearer Zusammenhang zwischen dem Potential und dem Abstand von der Partikeloberfläche. Die Konzentration entgegengesetzt geladener Ionen sinkt mit zunehmendem Abstand von der Partikeloberfläche, bis die Verteilung des Dispersionsmediums erreicht wird. Dieser Bereich wird auch diffuse Schicht genannt, in der sich das Potential exponentiell verändert, da in der diffusen Schicht sowohl positive als auch negative Ladungsträger existieren. Bewegen sich die Partikel durch das Dispersionsmittel, so bewegen sich sowohl die Sternschicht als auch partiell die diffuse Schicht mit den Partikeln. Der Radius der sich mit den Partikeln bewegenden Hülle wird auch als Scherradius bezeichnet. Die auftretende Potentialdifferenz zwischen dem Scherradius und der Dispersion wird als Zetapotential definiert. Ein Zetapotential größer als ±30 mV bedeutet, dass eine Dispersion elektrostatisch ausreichend stabilisiert ist. Der Grund für die Stabilisierung sind die zwischen gleich geladenen Teilchen vorliegenden repulsiven Wechselwirkungen. Mit zunehmender Annäherung der Teilchen werden die repulsiven Wechselwirkungen größer, wodurch eine weitere Annäherung verhindert wird [3].


Videos zum Thema

Das erste Video ist eine einfache Erklärung. Jedes weitere steigert den Grad an Vertiefung. Das letzte ist die Aufnahme eine Seminars am MIT.

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Literatur & Quellen

  1. Kirby, B.J. (2010). Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-11903-0. 
  2. Greenwood, R; Kendall, K (1999). „Electroacoustic studies of moderately concentrated colloidal suspensions“. Journal of the European Ceramic Society 19 (4): 479–488.
  3. Mahl, D. (2001) „Synthese, Löslichkeit und Stabilität von Gold-Nanopartikeln in biologischen Medien“; Dissertation
    zur Erlangung des akademischen Grades eines
    Doktors der Naturwissenschaften Dr. rer. nat. Institut für Anorganische Chemie der Universität Duisburg-Essen LINK

 


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