Punkt zerowego ładunku
Punkt zerowego ładunku (pzc) jest ogólnie opisywany jako pH, przy którym ładunek wypadkowy całkowitej powierzchni cząstek (tj. powierzchni absorbenta) jest równy zeru, co to pojęcie zostało wprowadzone w badaniach dotyczących flokulacji koloidalnej w celu wyjaśnienia pH wpływającego na zjawisko.
Pokrewną koncepcją w elektrochemii jest potencjał elektrody w punkcie zerowego ładunku. Ogólnie rzecz biorąc, pzc w elektrochemii jest wartością ujemnego logarytmu dziesiętnego aktywności jonu determinującego potencjał w płynie masowym. Pzc ma fundamentalne znaczenie w nauce o powierzchni. Na przykład w dziedzinie nauk o środowisku określa, jak łatwo podłoże jest w stanie zaadsorbować potencjalnie szkodliwe jony. Ma także niezliczone zastosowania w technologii koloidów , np. flotacji minerałów. Dlatego też wartość pzc była badana w wielu zastosowaniach adsorpcji w naukach o środowisku. Wartość pzc zazwyczaj uzyskuje się poprzez miareczkowanie . Opracowano kilka metod miareczkowania . Istnieją powiązane wartości związane z charakterystyką gleby wraz z wartością pzc, w tym punkt zerowego ładunku (zpc), punkt zerowego ładunku netto (pznc) itp.
Definicja terminu punktu zerowego ładunku
Punkt zerowego ładunku to pH, dla którego ładunek powierzchniowy netto adsorbentu jest równy zeru. Koncepcja ta została wprowadzona poprzez wzrost zainteresowania pH roztworu podczas adsorpcji. Powodem, dla którego pH przyciąga wiele uwagi, jest to, że adsorpcja niektórych substancji jest bardzo zależna od pH. Wartość pzc zależy od właściwości adsorbentu. Przykładowo ładunek powierzchniowy adsorbentu jest opisywany przez jon znajdujący się na powierzchni cząstki (adsorbentu) o strukturze przypominającej obraz. Przy niższym pH jony wodoru (protony, H + ) byłby zaadsorbowany bardziej niż inne kationy (adsorbat), tak więc pozostałe kationy byłyby mniej zaadsorbowane w przypadku cząstki naładowanej ujemnie. Z drugiej strony, jeśli powierzchnia jest naładowana dodatnio i pH wzrasta, aniony będą mniej adsorbowane wraz ze ilości jonów wodorotlenkowych . Z punktu widzenia adsorbentu, jeśli pH jest niższe od wartości pzc, ładunek powierzchniowy adsorbentu będzie dodatni, tak że aniony będą mogły zostać zaadsorbowane. I odwrotnie, jeśli pH jest wyższe od wartości pzc, ładunek powierzchniowy będzie ujemny, co umożliwi adsorbcję kationów.
Na przykład ładunek na powierzchni kryształów jodku srebra można określić na podstawie stężenia jonów jodkowych w roztworze nad kryształami. Następnie wartość pzc powierzchni AgI będzie opisana stężeniem I − w roztworze (lub ujemnym logarytmem dziesiętnym tego stężenia, pI − ).
Zależność pzc od punktu izoelektrycznego
Pzc jest taki sam jak punkt izoelektryczny (iep), jeśli na powierzchni nie ma adsorpcji innych jonów niż potencjał określający H + /OH - . Dzieje się tak często w przypadku czystych („nieskazitelnej powierzchni”) tlenków w wodzie. W obecności specyficznej adsorpcji pzc i punkt izoelektryczny mają na ogół różne wartości.
Metoda oznaczania eksperymentalnego
Pzc zazwyczaj otrzymuje się przez miareczkowanie dyspersji koloidalnych kwasowo-zasadowych, monitorując ruchliwość elektroforetyczną cząstek i pH zawiesiny. Aby rozróżnić pzc od iep, wymagane jest kilka miareczkowań, przy użyciu różnych elektrolitów (w tym zmieniającej się siły jonowej elektrolitu). Po uzyskaniu zadowalających wykresów (ilość kwasu/zasady – pH i pH – potencjał zeta), pzc ustala się jako wspólny punkt przecięcia (cip) linii. Dlatego pzc jest czasami określany jako cip.
Powiązane skróty
Oprócz pzc, iep i cip, w literaturze używanych jest także wiele innych terminów, zwykle wyrażanych jako inicjalizmy , o identycznym lub (myląco) prawie identycznym znaczeniu: punkt zerowego ładunku (zpc), punkt zerowego ładunku netto (pznc ), punkt zerowego ładunku protonowego netto (pznpc), pierwotny punkt zerowego ładunku (ppzc), punkt zerowego efektu soli (pzse), punkt zerowy miareczkowania (zpt) dyspersji koloidalnej i punkt izoelektryczny ciała stałego (ieps) i punkt zerowego napięcia powierzchniowego (pzst lub pzs).
Zastosowanie w elektrochemii
W elektrochemii powierzchnia styku elektroda -elektrolit jest na ogół naładowana. Jeżeli elektroda jest polaryzowalna , to jej ładunek powierzchniowy zależy od potencjału elektrody .
IUPAC definiuje potencjał w punkcie zerowego ładunku jako potencjał elektrody (w stosunku do określonej elektrody odniesienia), przy której jeden z określonych ładunków wynosi zero.
Potencjał ładunku zerowego służy do wyznaczania bezwzględnego potencjału elektrody w danym elektrolicie .
IUPAC definiuje również różnicę potencjałów w odniesieniu do potencjału ładunku zerowego jako:
- E pzc = mi - mi σ=0
Gdzie:
- E pzc to różnica potencjałów elektrody względem punktu zerowego ładunku, E σ=0
- E jest potencjałem tej samej elektrody względem określonej elektrody odniesienia w woltach
- E σ=0 to potencjał tej samej elektrody, gdy ładunek powierzchniowy wynosi zero, przy braku specyficznej adsorpcji innej niż rozpuszczalnik, w stosunku do elektrody odniesienia, jak zastosowano powyżej, w woltach
Struktura elektrolitu na powierzchni elektrody może również zależeć od ładunku powierzchniowego, ze zmianą wokół potencjału pzc. Na przykład na elektrodzie platynowej stwierdzono, że cząsteczki wody są słabo wiązane wodorem z orientacją „utleniającą” na powierzchniach naładowanych ujemnie i silnie wiązaniami wodorowymi z prawie płaską orientacją na powierzchniach naładowanych dodatnio.
W pzc układ koloidalny wykazuje zerowy potencjał zeta (to znaczy cząstki pozostają nieruchome w polu elektrycznym ), minimalną stabilność (wykazuje maksymalną szybkość koagulacji lub flokulacji ), maksymalną rozpuszczalność fazy stałej, maksymalną lepkość dyspersji i inne osobliwości.
Zastosowanie w geochemii środowiska
W dziedzinie nauk o środowisku adsorpcja jest wykorzystywana w wielu obszarach technologii, które mogą eliminować zanieczyszczenia i regulować stężenie substancji chemicznych w glebie i/lub atmosferze. Badając degradację zanieczyszczeń lub proces geochemiczny, badano wartość pzc związaną z adsorpcją. Na przykład podłoża naturalne i organiczne, w tym popiół drzewny, trociny itp., należy stosować jako adsorbent, eliminując szkodliwe metale ciężkie, takie jak arsen, kobalt, jony rtęci itp., w zanieczyszczonym drenażu neutralnym (CND), który jest reaktorem pasywnym które mogłyby umożliwić adsorpcję metali przy użyciu tanich materiałów. Dlatego też oceniono wartości pzc podłoży organicznych, aby zoptymalizować dobór materiałów w CND. Innym przykładem jest emisja kwas azotawy , który kontroluje zdolność utleniającą atmosfery . Różne pH gleby prowadzi do różnych ładunków powierzchniowych minerałów, w związku z czym emisja kwasu azotawego będzie zróżnicowana, co dodatkowo wpłynie na cykl biologiczny związany z gatunkami kwasu azotawego.
Dalsza lektura
- Kosmulski M. (2009). Ładowanie powierzchniowe i punkty zerowego ładunku . Prasa CRC; Wydanie pierwsze (twarda oprawa). ISBN 978-1-4200-5188-9