Potencial Electrocinetico

INDICE

4.1 Potencial electrocinetico

4.1.1 Doble capa electrostatica

4.1.2 Tratamiento analitico

4.1.3 Influencia de iones sobre la doble capa

4.2 Estado coloidal

4.2.2 Clasificacion de sistemas coloidales

4.2.4 Preparacion y purificacion de sistemas coloidales

4.3 Propiedades cineticas de los sistemas coloidales

4.3.1 Movimiento Browniano

4.3.2 Difusion

4.1 POTENCIAL ELECTROCINETICO O ZETA

El paso de una solución de resistividad eléctrica ρ y viscosidad η a través de un medio capilar o poroso, puede generar un gradiente de potencial eléctrico a lo largo de la trayectoria del flujo. Este potencial es lo que se conoce como Potencial electrocinético.

Según Dakhnov la génesis de este potencial se debe a la adsorción preferencial de iones de la misma polaridad (en general aniones) en la superficie de los granos, formando una capa fija. Como respuesta a este fenómeno, se produce un enriquecimiento por parte del fluido intersticial de iones de polaridad opuesta formando otra capa (en este caso móvil), de forma que en presencia de un gradiente hidráulico, el movimiento del agua intersticial y por tanto de la capa móvil, genera una carga neta de separación en la dirección del movimiento. Estas dos capas es lo que se conoce como la doble capa de Helmotz.

Para un tubo capilar la amplitud del potencial electocinético V entre los dos extremos del conducto poroso, viene definido por la ecuación de Helmholtz , en donde ε es la constante dieléctrica, ρ la resistividad, η la viscosidad delelectrolito, ΔP el incremento de presión en los extremos del capilar, y ζ es el potencial Zeta o potencial eléctrico de la doble capa de Helmholtz.

Al cociente

se le denomina “electrokinetic coupling coeficient”.

Sin embargo, el uso de esta ecuación en problemas reales es poco práctica dado

que:

o En general la estimación de ζ en las rocas no es nada sencillo.

o Se basa en el estudio de un tubo capilar y por tanto no tiene en cuenta la complejidad de un medio poroso, en donde la relación granolumetría permeabilidad del medio, la forma y tortuosidad de los poros, así como otros factores, tienen una gran importancia en el comportamiento del potencial.

o Efectos secundarios (i.e. los observados en los minerales de las arcillas) pueden enmascarar los potenciales electrocinéticos puros, complicando por tanto la interpretación de los resultados.

o Por todo ello, los investigadores centraron sus esfuerzos en determinar y evaluar la influencia de distintos factores en el comportamiento del potencial electrocinético, tanto en terrenos no consolidados (arcillas, limos y arenas) como en medios fisurados

El potencial zeta describe la intensidad del campo eléctrico estático de la capa doble en el límite entre el grano y el fluido (plano de corte). Es utilizado para evaluar nanoparticulas

Una expresión del mismo obtenida por ajuste de datos por Pride y Morgan para concentraciones de sales menores a 0.5 mol/litro es:

Siendo la concentración de sales del electrolito en mol/litro, y el potencial zeta en volts.

Figura 1

4.1.1 MODELO DE LA DOBLE CAPA

Se usa el modelo de la doble capa para visualizar la atmósfera iónica en la proximidad del coloide cargado y para explicar como actúan las fuerzas eléctricas de repulsión. Es posible entender este modelo como una secuencia de etapas que ocurren alrededor de un coloide negativo, si los iones que neutralizan sus cargas son repentinamente separados (figura 2) (Coagulation & Flocculation, Zeta-Meter).

Figura 2

La vista izquierda muestra el cambio en la densidad de carga alrededor del coloide. La derecha muestra la distribución de iones positivos y negativos alrededor del coloide cargado.

Efecto del coloide sobre el ion positivo (llamado contraion) en la solución. Inicialmente, la atracción del coloide negativo hace que algunos iones positivos formen una rígida capa adyacente alrededor de la superficie del coloide; esta capa de contraiones es conocida como la capa de Stern.

Otros iones positivos adicionales son todavía atraídos por el coloide negativo, pero estos son ahora rechazados por la capa de Stern, así como otros iones positivos que intentan acercarse al coloide. Este equilibrio dinámico resulta en la formación de una capa difusa de contraiones, éstos tienen una alta concentración cerca de la superficie, la cual disminuye gradualmente con la distancia, hasta que se logra un equilibrio con la concentración de los contraiones en el seno de la disolución.

En forma similar, aunque opuesta, en la capa difusa hay un déficit de iones negativos, llamados coiones pues tienen la misma carga que el coloide. Su concentración se incrementa gradualmente al alejarse del coloide, mientras que las fuerzas repulsivas del coloide son compensadas por los iones positivos, hasta alcanzar nuevamente el equilibrio.

La capa difusa puede ser visualizada como una atmósfera cargada rodeando al coloide.

A cualquier distancia de la superficie, la densidad de carga es igual a la diferencia de concentración entre iones positivos y negativos. La densidad de carga es mucho mayor cerca del coloide y gradualmente disminuye a cero cuando las concentraciones de iones positivos y negativos se asemejan

Los contraiones de la capa de Stern y de la capa difusa son los que juntos llamaremos la doble capa. El espesor de esta doble capa depende del tipo y concentración de los iones de la solución.

La variación de la densidad de iones en la capa difusa se muestra en las figuras 3 y4. La primera muestra la variación en la concentración de iones positivos y negativos con la distancia de un coloide negativo, la segunda el efecto neto, esto es, la diferencia en la densidad de carga positiva y negativa

El coloide negativo y su atmósfera cargada positivamente producen un potencial eléctrico relativo a la solución. Este tiene su valor máximo en la superficie y disminuye gradualmente con la distancia, aproximándose a cero fuera de la capa difusa. La caída del potencial y la distancia desde el coloide es un indicador de la fuerza repulsiva entre los coloides en función de la distancia a las cuales estas fuerzas entran en juego.

4.1.2 TRATAMIENTO ANALITICO

Las dispersiones coloidales presentan propiedades eléctricas íntimamente asociadas con su capacidad de absorber iones de las soluciones o moléculas del medio, o de ambas a la vez. El estudio de los coloides a establecido que los soles liófilos, adsorben principalmente iones del electrolito de las soluciones en las cuales están preparados. Por otro lado las partículas en soles liófilos atraen hacia ellas, primeramente, una capa del medio en la cual pueden o no absorberse los iones, según las condiciones de la solución.

Aunque la naturaleza de las partículas del dispersoide es la que determina si un coloide es liófabo o liófilo, el carácter de la fase absorbida sobre la partícula fina es el que regularmente controla la estabilidad del sol y establece la forma en que las partículas se comportan en un campo eléctrico.

4.1.3 INFLUENCIA DE IONES SOBRE LA CAPA

Todo solido en contacto con un liquido, tiende a desarrollar una diferencia de potencial a través de la interface entre los dos. Por ejemplo:

Cunado de pone agua en contacto con una superficie de vidrio, esta adsorbe iones oxhidrilo y queda cargada negativamente respecto al agua. Para balancear esta carga los iones hidrogeno son atraídos a la superficie para formar una capa doble de carga negativa sobre el vidrio y positiva en el agua adyacente a éste. Como se ve en las siguientes figuras:

Fig. 1: capa doble de Hermholtz

Figura 2: doble capa difusa

Tal arreglo de cargas, llamada capa doble de helmholtz, implica una diferencia de potencial entre el solido y el líquido.

El concepto original de la capa doble se considera que las cargas de superficie están fijas y que las cargas neutralizantes en el líquido, junto con este, eran móviles. Las cargas que aparecen adyacentes a la superficie están sobre ella, con alguna de las cargas neutralizantes en una capa de liquido estacionario adherido a la superficie. Las cargas remanentes quedan distribuidas en el electrolito adyacente, en forma de una admosfera difusa y móvil, análoga a la postilada por Debye y Huckel. Para los electrolitos. Según este concepto , la diferencia de potencial entre la superficie y el liquido tiene lugar en dos partes:

A) Entre la superficie y la capa estacionaria

B) Entre esa capa y el cuerpo de la solución

Este último, conocido como potencial electrocinético o zeta, es responsable de varias propiedades eléctricas no estáticas de las interfaces solido-liquido y de los efectos eléctricos observados en los coloides.

Como las dispersiones de los solidos en los líquidos producen interface solido – liquido, debe establecerse una capa doble difusa en la superficie de la partícula y, por lo tanto, un potencial zeta.

Cuando las condiciones experimentales permiten la migración del dispersoide, pero no la del medio, se tiene el fenómeno de electroforesis. Por lo contrario, cuando se impide la migración del dispersoide , mas no del medio se obtiene la electrosmosis.

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