Точка нулевого заряда
Точка нулевого заряда (pzc) обычно описывается как pH , при котором суммарный электрический заряд поверхности частицы (т.е. поверхности адсорбента ) равен нулю. Эта концепция была введена в исследованиях, посвященных коллоидной флокуляции, чтобы объяснить, почему pH влияет на это явление. [1]
Родственное понятие в электрохимии - это электродный потенциал в точке нулевого заряда. Обычно pzc в электрохимии представляет собой значение отрицательного десятичного логарифма активности потенциалопределяющего иона в объемной жидкости. [2] Pzc имеет фундаментальное значение в науке о поверхности . Например, в области науки об окружающей среде он определяет, насколько легко субстрат способен адсорбировать потенциально вредные ионы. Он также имеет бесчисленное множество применений в технологии коллоидов , например, при флотации минералов. Таким образом, значение pzc исследовалось во многих приложениях адсорбции в науке об окружающей среде. [3] [4] Значение pzc обычно получают путем титрования , и было разработано несколько методов титрования. [5] [6] Сопутствующие значения, связанные с характеристиками почвы , существуют наряду со значением pzc, включая точку нулевого заряда (zpc), точку нулевого чистого заряда (pznc) и т. д. [7]
Определение термина точки нулевого заряда
[ редактировать ]Точкой нулевого заряда является значение pH, при котором суммарный поверхностный заряд адсорбента равен нулю. Эта концепция возникла в связи с увеличением интереса к pH раствора во время экспериментов по адсорбции. [1] Причина в том, что адсорбция некоторых веществ очень зависит от pH. Величина pzc определяется характеристиками адсорбента. Например, поверхностный заряд адсорбента описывается ионом, лежащим на поверхности частицы (адсорбента), структура которого подобна изображению. При более низком pH ионы водорода (протоны, H + ) будет адсорбироваться сильнее, чем другие катионы (адсорбат), так что другие катионы будут адсорбироваться меньше, чем в случае отрицательно заряженной частицы. С другой стороны, если поверхность заряжена положительно и pH увеличивается, анионы будут меньше адсорбироваться по мере увеличения pH. С точки зрения адсорбента, если pH раствора ниже значения pzc, поверхностный заряд адсорбента станет положительным, так что анионы смогут адсорбироваться. И наоборот, если pH выше значения pzc, поверхностный заряд будет отрицательным, поэтому катионы могут адсорбироваться.
Например, электрический заряд на поверхности кристаллов йодида серебра (AgI) можно определить по концентрации иодид - ионов, присутствующих в растворе над кристаллами. Тогда величина pzc поверхности AgI будет описываться функцией концентрации I − в растворе (или отрицательным десятичным логарифмом этой концентрации -log 10 [I – ] = п я − ).
Связь pzc с изоэлектрической точкой
[ редактировать ]Pzc совпадает с изоэлектрической точкой (iep), если нет адсорбции других ионов, кроме потенциала, определяющего H. + /ОЙ − на поверхности [ нужны разъяснения ] . [8] Это часто имеет место для чистых («нетронутой поверхности») оксидов, находящихся во взвешенном состоянии в воде. При наличии специфической адсорбции pzc и изоэлектрическая точка обычно имеют разные значения.
Метод экспериментального определения
[ редактировать ]Pzc обычно получают кислотно-основным титрованием коллоидных дисперсий при мониторинге электрофоретической подвижности частиц и pH суспензии. Чтобы отличить пзк от иеп, требуется несколько титрований с использованием различных фоновых электролитов (включая изменение электролита ионной силы ). Как только получены удовлетворительные кривые (количество кислоты/основы — pH и pH — дзета-потенциал ), pzc устанавливается как общая точка пересечения (cip) линий. Поэтому pzc также иногда называют cip.
Связанные сокращения
[ редактировать ]Помимо pzc, iep и cip, в литературе используется множество других терминов, обычно выраженных в виде инициализмов , 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), первичная точка нулевого заряда (ppzc), точка нулевого эффекта соли (pzse), нулевая точка титрования (zpt) коллоидной дисперсии и изоэлектрическая точка твердого вещества (ieps) [9] и точка нулевого поверхностного натяжения (pzst [10] или пжс [11] ).
Применение в электрохимии
[ редактировать ]В электрохимии граница раздела электрод -электролит обычно заряжена. Если электрод поляризуемый , то его поверхностный заряд зависит от потенциала электрода .
ИЮПАК определяет [2] 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 абсолютного потенциала электрода в данном электролите .
ИЮПАК также определяет разность потенциалов относительно потенциала нулевого заряда как:
- E pzc = E − E σ=0
где:
- E pzc – разность потенциалов электрода относительно точки нулевого заряда, E σ=0
- E - потенциал того же электрода относительно определенного электрода сравнения в вольтах.
- E σ=0 — потенциал того же электрода, когда поверхностный заряд равен нулю, в отсутствие специфической адсорбции, отличной от адсорбции растворителя, относительно электрода сравнения, как указано выше, в вольтах.
Структура электролита на поверхности электрода может зависеть и от поверхностного заряда с изменением потенциала pzc. Например, сообщалось, что на платиновом электроде молекулы воды имеют слабые водородные связи с ориентацией «кислород вверх» на отрицательно заряженных поверхностях и сильные водородные связи с почти плоской ориентацией на положительно заряженных поверхностях. [12]
При pzc коллоидная система обладает нулевым дзета-потенциалом (т. е. частицы остаются неподвижными в электрическом поле ), минимальной стабильностью (демонстрирует максимальную скорость коагуляции или флокуляции ), максимальной растворимостью твердой фазы, максимальной вязкостью дисперсии и другими особенности. [ нужна ссылка ]
Применение в геохимии окружающей среды
[ редактировать ]В области науки об окружающей среде адсорбция используется во многих методах, позволяющих удалять загрязняющие вещества и регулировать концентрацию химических веществ в почве и/или атмосфере. При изучении разложения загрязняющих веществ или процесса сорбции важно изучить значение pzc, связанное с адсорбцией. Например, природные и органические субстраты, включая древесную золу, опилки и т. д., используются в качестве адсорбента для устранения вредных тяжелых металлов, таких как мышьяк, кобальт, ионы ртути и т. д., в загрязненном нейтральном дренаже (CND), который представляет собой пассивный реактор, который может возможна адсорбция металлов дешевыми материалами. Поэтому значения pzc органических субстратов были оценены для оптимизации выбора материалов в CND. [3] Другим примером является выброс азотистой кислоты способность атмосферы , которая контролирует окислительную . Разный pH почвы приводит к разным поверхностным зарядам минералов, поэтому выбросы азотистой кислоты будут различаться, что еще больше влияет на биологический цикл, в котором участвуют виды азотистой кислоты. [4]
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Космульский М. (2009). Поверхностный заряд и точки нулевого заряда . ЦРК Пресс; 1-е издание (в твердом переплете). ISBN 978-1-4200-5188-9
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Спозито, Гаррисон (1998). «О точках нулевого заряда». Экологические науки и технологии . 32 (19): 2815–2819. Бибкод : 1998EnST...32.2815S . дои : 10.1021/es9802347 . ISSN 0013-936X .
- ^ Jump up to: а б Золотая книга ИЮПАК
- ^ Jump up to: а б Бакатула, Элизе Нсимба; Ричард, Доминик; Некулита, Кармен Михаэла; Загури, Джеральд Дж. (2018). «Определение точки нулевого заряда природных органических материалов». Наука об окружающей среде и исследования загрязнения . 25 (8): 7823–7833. Бибкод : 2018ESPR...25.7823B . дои : 10.1007/s11356-017-1115-7 . ISSN 1614-7499 . ПМИД 29294236 . S2CID 3946219 .
- ^ Jump up to: 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. Бибкод : 2014PNAS..11118472D . дои : 10.1073/pnas.1418545112 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 4284574 . ПМИД 25512517 .
- ^ Насируддин Хан, М.; Сарвар, Анила (2007). «Определение точек нулевого заряда природных и очищенных адсорбентов». Поверхностный обзор и письма . 14 (3): 461–469. Бибкод : 2007SRL....14..461N . дои : 10.1142/S0218625X07009517 . ISSN 0218-625X .
- ^ Бакатула, Элизе Нсимба; Ричард, Доминик; Некулита, Кармен Михаэла; Загури, Джеральд Дж. (2018). «Определение точки нулевого заряда природных органических материалов». Наука об окружающей среде и исследования загрязнения . 25 (8): 7823–7833. Бибкод : 2018ESPR...25.7823B . дои : 10.1007/s11356-017-1115-7 . ISSN 0944-1344 . ПМИД 29294236 . S2CID 3946219 .
- ^ 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 .
- ^ Спозито, Гаррисон (1998). «О точках нулевого заряда». Экологические науки и технологии . 32 (19): 2815–2819. Бибкод : 1998EnST...32.2815S . дои : 10.1021/es9802347 . ISSN 0013-936X .
- ^ Марек Космульски, «Химические свойства поверхностей материалов», Marcel Dekker Inc., 2001.
- ^ Жан-Пьер Жоливе, «Химия и синтез оксидов металлов», John Wiley & Sons, 2000.
- ^ Р. Дж. Стол и П. Л. де Брюин; «Термодинамическая стабилизация коллоидов»; Журнал коллоидной и интерфейсной науки; 1980 год; 75 (1): стр. 185–198.
- ^ Осава, Масатоши; Цусима, Минору; Могами, Хирокадзу; Самьеске, Габор; Ямаката, Акира (2008). «Структура воды на границе электрифицированной платины и воды: исследование с помощью инфракрасной абсорбционной спектроскопии с усилением поверхности». Дж. Физ. хим. С. 112 (11): 4248–4256. дои : 10.1021/jp710386g .