Zeta-Potential

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Das Zeta-Potential (auch $ \zeta $-Potential) ist das elektrische Potential (auch als Coulomb-Potential bezeichnet) an der Abscherschicht eines bewegten Partikels in einer Suspension. Das elektrische Potential beschreibt die Fähigkeit eines (von einer Ladung hervorgerufenen) Feldes, Kraft auf andere Ladungen auszuüben.

Ursache

Befinden sich geladene Partikel in Suspension, wird deren Potential durch Anlagerung von Ionen im Suspensionsmedium kompensiert. Auf der Partikeloberfläche lagern sich fest gebundene Ionen in der sogenannten Helmholtz-Doppelschicht an. Weitere Ionen lagern sich eher locker gebunden in einer diffusen, d. h. ungeordneten, Schicht an. Damit erscheint das Partikel aus großer Entfernung elektrisch neutral, weil alle Partikelladungen durch Ionen des Suspensionsmediums kompensiert werden.

Bewegt sich ein Partikel, wird durch Reibung ein Teil der locker gebundenen diffusen Schicht abgeschert und das Partikel erscheint nicht mehr elektrisch neutral, sondern besitzt wieder ein Potential. Dieses Potential an der Abschergrenze wird als Zeta-Potential bezeichnet. Damit ist es bei gleichem Medium eine relative Messgröße für das Oberflächenpotential und somit für die Ladung des Partikels. Gemessen werden kann das Zeta-Potential, indem das geladene Partikel durch ein angelegtes elektrisches Feld bewegt wird. Die resultierende Geschwindigkeit ist dann ein Maß für das Zeta-Potential.

Die Differenz des elektrischen Potentials an zwei Orten ist die elektrische Spannung.

$ U_e=\frac{2 \varepsilon \zeta f(ka)}{3 \eta } $

$ U_e $ sei die elektrophoretische Mobilität, $ \varepsilon $ die Dielektrizitätskonstante der Probe, $ \zeta $ das Zeta-Potential, $ f(ka) $ die Henry-Funktion (Hückel und Smoluchowski-Näherung), und η sei die dynamische Viskosität der Flüssigkeit.

Zusammenhänge

Im Zusammenhang mit dem Zeta-Potential wird das Oberflächenpotential $ \psi_0 $ oft als Nernst-Potential bezeichnet und nicht wie sonst üblich als Gouy-Chapman-Potential.

  • Ausbildung elektrischer Ladungen an Grenzflächen kann auch durch Reibung oder thermische Bewegung erfolgen
  • Positiv geladene Ionen (Gegenionen) werden angezogen (äußere Helmholtz-Schicht) und es entstehen elektrische Doppelschichten
  • Weitere Ionen weisen eine lockere Anordnung auf, die in die flüssige Phase hineinreicht (diffuse Schicht). Durch Molekular- oder Wärmebewegung liegt eine diffuse Verteilung positiver und negativer Ionen vor, wobei sich Ionen gleichsinniger Ladung gegenseitig abstoßen. Die Gesamtladung ist hierbei ausgeglichen.
  • Die bei Bewegung der Partikel in der Flüssigkeit auftretenden Scherkräfte beeinflussen die fest an der Oberfläche gebundene Ionenschicht nicht (Scherebene). Da die elektrostatische Anziehung zwischen der geladenen Oberfläche und der diffusen Schicht mit zunehmender Distanz abnimmt, verringert sich die Konzentration der zunächst noch überwiegend vorhandenen Gegenionen mit der Entfernung, und schließlich liegen in der Neutralzone negative und positive Ionen gleichmäßig vor.
  • Wahre Ladung der Teilchen (Nernst-Potential) ist gekennzeichnet durch die Potentialdifferenz zwischen Teilchenoberfläche und Neutralzone und daher experimentell nicht bestimmbar.
  • Elektrokinetisches Potential = Zeta-Potential (ζ): Potentialdifferenz der diffusen Schicht; charakterisiert Abstoßungsenergie zwischen den Teilchen (abhängig vom Produkt aus Entfernung und dem Reziproken des effektiven Radius der elektrischen Doppelschicht)
  • Erhöhung des Zeta-Potentials bewirkt eine Verstärkung der interpartikulären Abstoßungskräfte, so dass Aggregationen verringert oder sogar verhindert werden.

Literatur

  • Robert J. Hunter: Zeta potential in colloid science: principles and applications London : Academic Press, 1981., ISBN 0123619602

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