Точка нулевого заряда - Point of zero charge

Двойной электрический слой (EDL) вокруг отрицательно заряженной частицы в суспензии в воде.

В точка нулевого заряда (pzc) обычно описывается как pH, при котором суммарный заряд всей поверхности частиц (т. е. поверхности абсорбента) равен нулю, что было введено в исследованиях, посвященных коллоидный флокуляция чтобы объяснить влияние pH на это явление.[1]

Родственное понятие в электрохимии - это электродный потенциал в точке нулевого заряда. Как правило, pzc в электрохимии - это значение отрицательного десятичного логарифма Мероприятия потенциалопределяющего иона в объеме жидкости.[2] Pzc имеет фундаментальное значение в науке о поверхности. Например, в области наука об окружающей среде, он определяет, насколько легко субстрат может адсорбировать потенциально вредные ионы. Он также имеет бесчисленное множество применений в технологии коллоиды, например, плавучесть минералов. Таким образом, значение pzc было изучено во многих случаях применения адсорбции в науке об окружающей среде.[3][4] Значение pzc обычно получается титрования и несколько титрование метод был разработан.[5][6] Связанные значения, связанные с характеристиками почвы, существуют вместе со значением pzc, включая нулевую точку заряда (zpc), точку нулевого чистого заряда (pznc) и т. Д.[7]

Срок определения точки нулевого заряда

Точка нулевого заряда - это pH, при котором чистый поверхностный заряд адсорбент равно нулю. Эта концепция была введена в связи с увеличением интереса к pH раствора во время адсорбции.[1] Причина, по которой pH привлекает большое внимание, заключается в том, что адсорбция некоторых веществ очень зависит от pH. Величина pzc определяется характеристиками адсорбента. Например, поверхностный заряд адсорбента описывается ионом, который лежит на поверхности частицы (адсорбента) структуры, подобной изображению. При более низком pH ионы водорода (протоны, H+) будет адсорбироваться больше, чем другие катионы (адсорбат), так что другие катионы будут меньше адсорбироваться в случае отрицательно заряженной частицы. С другой стороны, если поверхность заряжена положительно и pH увеличивается, анионы будут меньше адсорбироваться, поскольку гидроксид-ионы увеличены. С точки зрения адсорбента, если pH ниже значения pzc, поверхностный заряд адсорбента будет положительным, так что анионы могут адсорбироваться. И наоборот, если pH выше значения pzc, поверхностный заряд будет отрицательным, так что катионы могут адсорбироваться.

Например, заряд на поверхности кристаллов йодида серебра может определяться концентрацией ионов йодида в растворе над кристаллами. Тогда величина pzc поверхности AgI будет описываться концентрацией I− в растворе (или отрицательный десятичный логарифм этой концентрации, pI−).

Связь pzc с изоэлектрической точкой

Pzc такой же, как и изоэлектрическая точка (iep) если нет адсорбция других ионов, кроме потенциала, определяющего H+/ОЙ− на поверхности.[8] Это часто имеет место в случае чистых («безупречная поверхность») оксидов в воде. При наличии специфической адсорбции pzc и изоэлектрическая точка обычно имеют разные значения.

Метод экспериментального определения

Pzc обычно получают кислотно-щелочным титрования коллоидных дисперсий при мониторинге электрофоретическая подвижность частиц и pH суспензии. Чтобы отличить pzc от iep, требуется несколько титрований, используя разные электролиты (включая изменение ионной силы электролита). Как только получены удовлетворительные графики (количество кислоты / основания - pH и pH - дзета-потенциал), pzc устанавливается как общая точка пересечения (cip) линий. Поэтому pzc также иногда называют cip.

Связанные сокращения

Помимо pzc, iep и cip, в литературе также используется множество других терминов, обычно выражаемых как инициализмы, с идентичным или (что сбивает с толку) почти идентичным значением: нулевая точка заряда (zpc), точка нулевого чистого заряда (pznc), точка нулевого чистого заряда протона (pznpc), изначальная точка нулевого заряда (ppzc), точка нулевой солевой эффект (pzse), нулевая точка титрования (zpt) коллоидной дисперсии и изоэлектрическая точка твердого тела (ieps)[9] и точка нулевого поверхностного натяжения (pzst[10] или pzs[11]).

Применение в электрохимии

В электрохимии электрод -электролит интерфейс обычно заряжен. Если электрод поляризуемый, то его поверхностный заряд зависит от электродный потенциал.

ИЮПАК определяет[2] то потенциал в точке нулевого заряда как потенциал электрода (относительно определенного электрода сравнения), при котором один из определенных зарядов равен нулю.

Потенциал нулевого заряда используется для определения абсолютный электродный потенциал в данном электролит.

ИЮПАК также определяет разность потенциалов относительно потенциала нулевого заряда в качестве:

Epzc = E − Eσ = 0

куда:

  • Epzc - разность потенциалов электродов относительно точки нулевого заряда, Eσ = 0
  • E потенциал того же электрода относительно заданного электрода сравнения в вольтах
  • Eσ = 0 - потенциал того же электрода, когда заряд поверхности равен нулю, в отсутствие специфической адсорбции, отличной от адсорбции растворителя, против электрода сравнения, который использовался выше, в вольтах.

Структура электролита на поверхности электрода также может зависеть от заряда поверхности с изменением около pzc потенциала. Например, сообщалось, что на платиновом электроде молекулы воды имеют слабую водородную связь с ориентацией «кислород вверх» на отрицательно заряженных поверхностях и сильную водородную связь с почти плоской ориентацией на положительно заряженных поверхностях.[12]

В pzc коллоидная система показывает ноль дзета-потенциал (то есть частицы остаются неподвижными в электрическое поле ), минимальная стабильность (проявляет максимальную коагуляцию или флокуляция скорость), максимальная растворимость твердой фазы, не более вязкость дисперсии и другие особенности.

Применение в геохимии окружающей среды

В области наук об окружающей среде адсорбция используется во многих частях технологий, которые могут удалять загрязнители и управлять концентрацией химических веществ в почве и / или атмосфере. При изучении разложения загрязняющих веществ или геохимических процессов изучалась величина pzc, связанная с адсорбцией. Например, природные и органические субстраты, включая древесную золу, опилки и т. Д., Должны использоваться в качестве адсорбента, удаляя вредные тяжелые металлы, такие как мышьяк, кобальт, ионы ртути и т. Д., В загрязненном нейтральном дренаже (CND), который является пассивным реактором. это может привести к адсорбции металлов дешевыми материалами. Таким образом, значения pzc органических подложек были оценены для оптимизации выбора материалов в CND.[3] Другой пример - выброс азотистая кислота, который контролирует атмосферу окислительный емкость. Различный pH почвы приводит к разным поверхностным зарядам минералов, поэтому выбросы азотистой кислоты будут разными, что еще больше повлияет на биологический цикл, связанный с видами азотистой кислоты.[4]

дальнейшее чтение

  • Космульский М. (2009). Поверхностная зарядка и точки нулевого заряда. CRC Press; 1-е издание (твердый переплет). ISBN  978-1-4200-5188-9

Рекомендации

  1. ^ а б Спозито, Гаррисон (1998). «По пунктам нулевого заряда». Экологические науки и технологии. 32 (19): 2815–2819. Bibcode:1998EnST ... 32.2815S. Дои:10.1021 / es9802347. ISSN  0013-936X.
  2. ^ а б Золотая книга ИЮПАК
  3. ^ а б Бакатула, Элиси Нсимба; Ричард, Доминик; Некулита, Кармен Михаэла; Загури, Джеральд Дж. (2018). «Определение точки нулевого заряда природных органических материалов». Экология и исследования загрязнения окружающей среды. 25 (8): 7823–7833. Дои:10.1007 / s11356-017-1115-7. ISSN  1614-7499. PMID  29294236. S2CID  3946219.
  4. ^ а б Дональдсон, Мелисса А .; Биш, Дэвид Л .; Рафф, Джонатан Д. (2014). «Кислотность поверхности почвы играет определяющую роль в атмосферно-земном обмене азотистой кислоты». Труды Национальной академии наук. 111 (52): 18472–18477. Bibcode:2014ПНАС..11118472D. Дои:10.1073 / pnas.1418545112. ISSN  0027-8424. ЧВК  4284574. PMID  25512517.
  5. ^ Насируддин Хан, М .; Сарвар, Анила (2007). «Определение точек нулевого заряда природных и очищенных адсорбентов». Обзор и письма Surface. 14 (3): 461–469. Bibcode:2007SRL .... 14..461N. Дои:10.1142 / S0218625X07009517. ISSN  0218-625X.
  6. ^ Бакатула, Элиси Нсимба; Ричард, Доминик; Некулита, Кармен Михаэла; Загури, Джеральд Дж. (2018). «Определение точки нулевого заряда природных органических материалов». Экология и исследования загрязнения окружающей среды. 25 (8): 7823–7833. Дои:10.1007 / s11356-017-1115-7. ISSN  0944-1344. PMID  29294236. S2CID  3946219.
  7. ^ Космульский, Марек (2001). «Химические свойства поверхностей материалов». Наука о поверхностно-активных веществах. 20011074. Дои:10.1201/9780585418049. ISBN  978-0-8247-0560-2. ISSN  2155-6512.
  8. ^ Спозито, Гаррисон (1998). «По пунктам нулевого заряда». Экологические науки и технологии. 32 (19): 2815–2819. Bibcode:1998EnST ... 32.2815S. Дои:10.1021 / es9802347. ISSN  0013-936X.
  9. ^ Марек Космульски, «Химические свойства поверхностей материалов», Marcel Dekker Inc., 2001.
  10. ^ Жан-Пьер Жоливе, «Химия и синтез оксидов металлов», John Wiley & Sons, 2000.
  11. ^ Р. Дж. Стол и П. Л. де Брюн; «Термодинамическая стабилизация коллоидов»; Журнал коллоидной и интерфейсной науки; 1980; 75 (1): pp. 185–198.
  12. ^ Осава, Масатоши; Цусима, Минору; Могами, Хирокадзу; Самжеске, Габор; Ямаката, Акира (2008). «Структура воды на границе раздела электрифицированная платина-вода: исследование с помощью поверхностной инфракрасной абсорбционной спектроскопии». J. Phys. Chem. C. 112 (11): 4248–4256. Дои:10.1021 / jp710386g.