Potenziale zeta: costante di Hamaker, grafici

Il potenziale zeta detto anche elettrocinetico è il potenziale che si genera a seguito della formazione di un doppio strato elettrico.
I colloidi  sono sistemi bifasici costituiti da una sostanza dispersa in un’altra sostanza generalmente liquida o gassosa detta fase disperdente.

Le soluzioni vere sono quelle ottenute ad esempio disciogliendo cloruro di sodio in acqua nelle quali non è in alcun modo possibile distinguere le particelle di soluto da quelle del solvente.

In un sistema colloidale, come ad esempio quello ottenuto disperdendo in un liquido, un solido allo stato di estrema suddivisione, è possibile in qualche modo osservare le particelle disperse che hanno dimensione compresa tra 1000 e 10Å.

Le proprietà fisiche dei colloidi dipendono dalla natura e dall’estensione dell’interfaccia particelle-liquido. Il comportamento dei colloidi infatti è determinato  dalla struttura elettrica e ionica dell’interfaccia. La produzione e la stabilità di colloidi è legato al cosiddetto doppio strato elettrico che caratterizza l’interfaccia dove per stabilità si intende la resistenza a variare la dispersione nel tempo.

Doppio strato elettrico

Per meglio comprendere la natura del doppio strato elettrico consideriamo lo ioduro di argento in acqua che, invece di precipitare, forma un colloide molto stabile. Lo ioduro di argento AgI, infatti, assorbe, sulla sua superficie, lo ione presente in eccesso dando due tipi di aggregati:

1)      [AgI]I^– circondato da un controione positivo presente in soluzione come ad esempio K⁺ e

2)      [AgI]Ag⁺  circondato da un controione negativo come ad esempio I^–

Potenziale zeta

Il doppio strato elettrico genera un potenziale detto potenziale zeta o potenziale elettrocinetico ζ il cui valore è correlato alla natura e alla struttura del doppio strato elettrico all’interfaccia particelle-liquido.

Tra il 1940 e il 1944  i fisici russi  Derjaguin, Verwey, Landau e Overbeek svilupparono una teoria detta DVLO sulla stabilità dei sistemi colloidali secondo la quale la stabilità di una particella è funzione della sua energia potenziale totale V_T che è data dal bilancio di contributi competitivi:
V_T = V_S + V_A + V_R

dove V_S è l’energia potenziale dovuta al solvente che abitualmente dà un contributo trascurabile alla energia potenziale totale e V_A e V_R  sono rispettivamente il potenziale attrattivo e repulsivo. In particolare il potenziale attrattivo V_A è dato da :
V_A = – A/ 12π D²

dove A è la costante di Hamaker che rappresenta la forza delle interazioni di van der Waals tra le particelle e D è la loro distanza.

Il potenziale repulsivo V_R è dato dalla repulsione del doppio strato elettrico:

V_R = 2 πε a ζ² e^{– kD}

dove a è il raggio della particella, π è la permeabilità del solvente, ε è la permettività elettrica, k è una funzione della composizione ionica e ζ è il potenziale zeta.

La misura del potenziale zeta, che può essere determinato sperimentalmente da misure di mobilità elettroforetica, fornisce indicazioni in relazione alla stabilità potenziale del sistema colloidale; se tutte le particelle in sospensione hanno, in valore assoluto, un alto valore del potenziale zeta esse tendono a respingersi stabilizzando il sistema colloidale.

Secondo la teoria DVLO la stabilità di un sistema colloidale è determinata dalla somma del contributo delle forze attrattive e repulsive che esistono tra le particelle non appena si avvicinano l’una all’altra a causa del moto Browniano.

Grafico

Rappresentando V_A e V_R e la loro risultante V_T  in funzione della distanza tra le particelle si possono verificare due casi:

1)      Se le forze di repulsione sono maggiori di quelle di attrazione la risultante presenta un massimo corrispondente a una barriera energetica che impedisce alle particelle di aggregarsi e il sistema colloidale risulta stabile

2)      Se la risultante è negativa prevale l’attrazione con conseguente attrazione delle particelle e si verifica la flocculazione o la coagulazione e il sistema colloidale non è stabile

I fattori che contribuiscono a stabilizzare il sistema colloidale sono:

• Repulsione sterica: l’aggiunta di polimeri ne provoca l’adsorbimento sulla superficie delle particelle evitandone il contatto. Se adsorbe una quantità di polimero sufficiente lo spessore del rivestimento è sufficiente a mantenere  le particelle separate per repulsione sterica tra gli strati del polimero e pertanto le forze di van der Waals sono così deboli da impedirne l’aggregazione
• Stabilizzazione elettrostatica dovuta alla distribuzione di particelle cariche nel sistema colloidale

L’uso dei colloidi nel:

• trattamento delle acque
• industria alimentare
• industria farmaceutica
• agricoltura
• industria cosmetica

ha portato a uno sviluppo della ricerca che non si è ancora esaurito.