Potencjał elektrokinetyczny glebowych cząstek koloidalnych




Koloidy glebowe są to cząsteczki o średnich poniżej 0,002 mm. Tworzą je minerały ilaste (krystaliczne minerały glinokrzemianowe grupy kaolinitu, montmorylonitu i illitu, krystaliczne uwodnione tlenki żelaza i glinu, minerały bezpostaciowe, próchnica oraz kompleksy ilasto - próchniczne)
Koloid składa się z:

  • jądra (mieli) o budowie krystalicznej lub amorficznej oraz strukturze zbitej lub porowatej

  • wewnętrznej powłoki jonów dodatnich lub ujemnych, które stanowią część składową jądra

  • zewnętrznej powłoki jonów kompensujących o ładunku przeciwnym do jonów wewnętrznej powłoki

Najważniejsze właściwości koloidów warunkuje ich ładunek elektryczny występujący na powierzchni cząsteczek koloidalnych. Większość koloidów glebowych jest ujemnie naładowana. Wartość ładunku elektrycznego jest zależna od budowy jądra (mieli) koloidu a źródłem tego ładunku są:

  • nienasycone wartościowości występujące na krawędziach warstw krzemowo - glinowych, na zewnętrznych powierzchniach płaszczyzn minerałów oraz na cząstkach próchnicy.

  • wewnątrz - warstwowa wymiana w kryształach minerałów.

(56kB)

(41kB)

Utworzony na powierzchni cząstek koloidalnych ładunek elektryczny jednego znaku na skutek elektrostatycznego oddziaływania tworzy od strony cieczy warstewkę jonów o znaku przeciwnym, złożoną z jonów wymiennych (warstwa Stera). W tej warstwie jony są trwale związane z mielą, można je uważać za część składową mieli. Wokół warstwy Stera znajdują się jony tego samego znaku, co w warstwie Stera ale są zhydratyzowane. Warstwa ta nowi nazwę zewnętrznej warstwy Holmotza. Dalej znajduje się warstwa jonów o ładunku różnoimiennym (Warstwa dyfuzyjna). Są to jony ruchome, których koncentracja zmniejsza się wprost proporcjonalnie do wzrostu odległości od powierzchni miceli, osiągając stan równowagi jonowej z roztworem. Jony warstwy Sterna oraz jony zewnętrznej warstwy Holmotza są przytrzymywane na powierzchni koloidów, podczas gdy jony warstwy dyfuzyjnej poruszają się swobodnie wraz z ruchem roztworu względem ciała stałego. Na granicy tych dwóch warstw jonów (ruchomych i nieruchomych), zwanej płaszczyzną poślizgu, występuje potencjał elektryczny zwany potencjałem elektrokinetycznym lub potencjałem Zeta.

 

Konsekwencją istnienia podwójnej warstwy elektrycznej są zjawiska elektrokinetyczne:

  • zjawisko elektroosmozy - gdy pod wpływem prądu elektrycznego następuje ruch cieczy względem nieruchomej powierzchni ciała stałego.

  • zjawisko elektroforezy - gdy pod wpływem prądu elektrycznego następuje przesunięcie się zawieszonych w cieczy cząstek ciała stałego

  • zjawisko potencjału sedymentacji - gdy pod wpływem siły grawitacji następuje przesuwanie się cząsteczek ciała stałego względem cieczy i ich osiadanie

  • zjawisko potencjału przepływu - gdy ciecz przesuwa się względem powierzchni ciała stałego


  Potencjał Zeta decyduje o zjawiskach powierzchniowych zachodzących na granicy faz: stałej i ciekłej. Tymi zjawiskami są procesy agregacji oraz peptyzacji koloidów glebowych. Zjawiska te są wynikiem występowania opozycyjnych sił, które wynikają z rozmieszczenia jonów wokół jądra koloidu. Atmosfera jonów (warstwy jonów) wokół miceli prowadzi do powstania sił odpychania oraz sił przyciągania. Siły odpychania uwidaczniają się w momencie zbliżenia się dwóch cząsteczek, kiedy to ich podwójne warstwy elektryczne zaczynają nakładać się na siebie. Potrzebna jest energia, która będzie wyższa od sił odpychania i dwie cząsteczki będą mogły się połączyć. Poziom niezbędnej energii wyraźnie wzrasta gdy cząsteczki są coraz bliżej siebie. Maksymalna siła elektrostatycznego odpychania określa potencjał powierzchniowy cząsteczek.
  Siły przyciągania - siły Van der Waalsa są wynikiem oddziaływania pojedynczych molekuł każdej z cząsteczek koloidalnych w ten sposób że każda molekuła jednej cząsteczki przyciąga każdą molekułę z cząsteczki drugiej. Całkowita siła przyciągania jest suma oddziaływania wszystkich molekuł. Teoria tłumacząca oddziaływania powierzchniowe (balansowanie sił przyciągania i odpychania została opracowana przez Derjaguin'a, Landau'a, Verwey'a i Overbeek'a i w skrócie określa się ją jako DLVO theory. Teoria ta tłumaczy takie zjawiska jak koagulacja, flokulacja oraz peptyzacja koloidów
Agregacja (stabilizacja) polega na łączeniu się pojedynczych cząsteczek koloidów w większe skupienia zwane agregatami. Przebieg tego procesu może być dwojaki:

  • 1. koagulacja, czyli łączenie się koloidów na skutek obniżenia potencjału elektrokinetycznego

  • 2. flokulacja, czyli łączenie się koloidów poprzez warstewki hydratacyjne, bez uprzedniego obniżenia potencjału elektrokinetycznego.


Koagulacja może zachodzić w glebach pod wpływem wprowadzania do nich elektrolitów (nawozów mineralnych), w wyniku czego następuje silne zagęszczenie jonów w zewnętrznych powłokach miceli i obniżenie ich elektrokinetycznego potencjału. Ponad to stopień koagulacyjnego oddziaływania jonów na koloidy ujemnie naładowane jest tym większy im wyższa wartościowość i średnica a mniejsze uwodnienie jonu. Na te koloidy szczególnie silnie oddziałują jonu wodoru, glinu i niższa
Flokulacja w glebach może przebiegać samorzutnie lub pod wpływem flokulatorów. Często flokulacja występuje podczas wysychania gleb lub podczas kolejnych okresów ich zamarzania i odmarzania, kiedy występuje dehydratacja koloidów. Flokulatami sztucznymi są syntetyczne substancje organiczne (polimery typu jonowego i niejonowego), które łączą ze sobą koloidy za pomocą wiązań wodorowych.

(105kB)

 

  Wartość elektrokinetycznego potencjału od około -30 do +30 mV oznacza, że następuje proces koagulacji koloidów (łączenie w większe cząstki o większej masie). Układ taki nazywa się układem niestabilnym. Potencjał Zeta w normalnych warunkach wynosi zazwyczaj od -10 do -25 mV. W czasie koagulacji potencjał Zeta spada do około -5 mV. Potencjał ten wcale nie musi spać do 0 mV aby zachodziła koagulacja, ponieważ siły przyciągania już wcześniej przeważają nad siłami odpychania. Natomiast odchył potencjału elektrokinetycznego poza granice - 30 do +30 mV powoduje przewagę sił odpychania i stabilizację układu (dyspersję cząstek koloidalnych). Wpływ potencjału Zeta na koagulację i peptyzację koloidów przedstawia poniższe doświadczenie. Osiem buteleczek na zdjęciu poniżej zawiera tą samą ilość zdyspergowanego dwutlenku tytanu. Do każdej z nich dodano jako dyspergatora - colgen. Stężenie colgenu wzrasta od lewej do prawej buteleczki. Przy małej koncentracji tytanu następuje powolna koagulacja i sedymentacja. Przy wzrastającym stężeniu następuje redukcja potencjału Zeta, następuje flokulacja, która zapobiega sedymentacji oraz umożliwia ponowną dyspersję poprzez wstrząśnięcie. Przy wyższej koncentracji colgenu tytan jest bardzo dobrze zdyspergowany, po sedymentacji tworzy się osad o dużej gęstości co zapobiega ponownej dyspersji układu przez wstrząśnięcie.

 

(3kB)

(40kB)

 Rysunki zamieszczone na stronie pochodzą z materiałów instruktarzowych firmy Malvern Instruments