什麼是界達電位

與液中粒子一起移動之層外側滑動面的電位。絕對值越大,粒子間的靜電排斥越強,分散越穩定。在等電點幾乎為零。

日文名稱: ゼータ電位

「界達電位」出現在1領域的1道練習題中(奈米材料等)。

這個名詞所屬的領域: 奈米材料

電雙層與滑動面

液中粒子的表面因表面基團解離或離子吸附而帶電,周圍聚集相反符號的離子而形成電雙層。靠近表面的離子被強烈吸引而與粒子一起移動,外側的離子則因熱運動而擴散分布。粒子移動時,一起移動的層與不動液體的分界稱為滑動面,該位置的電位就是界達電位。表面本身的電位無法直接量測,但界達電位可由粒子的運動量測,因此用作粒子彼此接近時靜電排斥的參考。

由電泳求得

界達電位由施加電場時粒子的速度(電泳遷移率µ)求得。電雙層比粒徑薄得多時,使用Smoluchowski式 ζ = ηµ/ε,η為液體黏度,ε為介電常數。在25℃的水中,遷移率 1 µm·cm/(V·s) 約相當於12.8 mV。電雙層厚度的參考是德拜長度,在25℃的1價鹽水溶液中,濃度1 mmol/L時約9.6 nm,100 mmol/L時約0.96 nm。加入鹽會使電雙層收縮,排斥作用所及的距離變短。

容易誤解之處

界達電位與表面電位不同,是滑動面上的值,因此大小比表面電位小。此外,等電點(界達電位為零的pH)與表面電荷為零的零電荷點,在沒有特定離子吸附時一致,有吸附時則會偏移。作為穩定性的參考,常使用「絕對值在30 mV以上就穩定」的經驗法則,但會隨鹽濃度與粒徑而改變。高分子吸附造成的立體排斥不會反映在界達電位上,因此即使絕對值小,分散也可能穩定。

量測與製程中的運用

量測常用由散射雷射光的都卜勒效應求遷移率的方法。結果隨pH與鹽濃度大幅改變,因此一定要記錄這些條件。等電點隨物質與表面狀態而異,典型上二氧化矽低至約2~3,氧化鋁高至9左右。在陶瓷注漿成形或刮刀成形的漿料、半導體CMP用的研磨液、塗料、醫藥品分散液等中,用於選擇pH與分散劑以防止團聚的設計。反之,在水處理中以混凝劑使界達電位接近零,刻意使粒子團聚而沉降。

練習界達電位的題目

為了使分散在水中的氧化物奈米粒子不團聚沉降,適當的方法為下列何者?

  1. A將pH調到粒子的等電點,使表面電荷為零,讓粒子之間不再以電力互相吸引
  2. B使pH充分遠離等電點而使表面帶電,加大界達電位的絕對值
  3. C多加入氯化鈉等電解質來提高離子強度,使粒子周圍的電雙層變厚
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正確答案:B. 使pH充分遠離等電點而使表面帶電,加大界達電位的絕對值

奈米粒子比表面積大,容易因凡得瓦引力互相黏附而團聚。水中的氧化物粒子,表面羥基隨pH接受或釋出質子而帶電,在周圍形成電雙層。使pH遠離等電點、加大界達電位的絕對值(標準為數十mV以上)時,粒子間的靜電排斥勝過引力,分散穩定(DLVO理論)。在等電點表面電荷幾乎為零,排斥消失,因此最容易團聚。加入大量電解質時,電雙層被壓縮變薄,排斥作用所及的距離變短,因此團聚反而加劇。吸附高分子分散劑所產生的立體排斥,也是常用的方法。

常見問題

界達電位的單位是什麼?

因為是電位,單位為伏特,通常以 mV 表示。正負號對應粒子表面電荷的正負,氧化物在pH低於等電點時為正,高於時為負。報告中最好同時註明量測的pH、鹽濃度、溫度與所用的換算式。

界達電位與等電點有何關係?

一邊改變pH一邊量測界達電位,成為零的pH就是等電點。在等電點附近靜電排斥幾乎消失,因此粒子最容易團聚。想使其分散時選擇遠離等電點的pH,想使其團聚時則調到等電點附近。

界達電位大,分散就一定穩定嗎?

不一定。鹽濃度高時電雙層收縮,排斥所及的距離變短,即使界達電位相同也容易團聚。此外,粒子大而重時,即使分散也會沉降。穩定性要在界達電位之外,量測沉降與粒徑隨時間的變化來確認。

解析中的「界達電位」

出現「界達電位」的題目(1題)

  1. 為了使分散在水中的氧化物奈米粒子不團聚沉降,適當的方法為下列何者?

相關名詞

比表面積 由下而上法 石墨烯 奈米粒子的熔點下降 奈米碳管 量子點 BET法

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