ज़ीटा पोटेंशियल

एक परिक्षेपण माध्यम में निलंबित एक कण की आवेशित सतह से दूरी के कार्य के रूप में आयनिक सांद्रता और संभावित अंतर को दर्शाने वाला आरेख

जीटा विभवांतर सर्पण समतल में विद्युत क्षमता है। यह समतल अंतरापृष्ठ है जो सतह से जुड़े रहने वाले द्रव से मोबाइल द्रव को अलग करता है।

जीटा विभवांतर कोलॉइडी परिक्षेपण (रसायन विज्ञान) में विद्युत् गतिक घटनाएं विद्युतीय संभाव्यता के लिए एक वैज्ञानिक शब्द है^[1]^[2]। कोलॉइडी रसायन शास्त्र साहित्य में, इसे सामान्यतः ग्रीक अक्षर ज़ेटा (ζ) का उपयोग करके दर्शाया जाता है, इसलिए ζ-संभावित होता है। सामान्य इकाइयाँ वाल्ट (V) या, अधिक सामान्यतः, मिलीवोल्ट्स (mV) हैं। एक सैद्धांतिक दृष्टिकोण से, जीटा विभवांतर अंतरापृष्ठ से दूर बल्क फ्लुइड में एक बिंदु के सापेक्ष सर्पण समतल के दोहरी परत (इंटरफेसियल) डबल लेयर (इंटरफेसियल) (डीएल) में विद्युत क्षमता है। दूसरे शब्दों में, जीटा विभव, परिक्षेपण माध्यम और परिक्षिप्त कण से जुड़ी द्रव की स्थिर परत के बीच का संभावित अंतर है।

जीटा विभवांतर सर्पण समतल से घिरे क्षेत्र के भीतर निहित शुद्ध बिजली का आवेश के कारण होता है, और यह उस समतल (ज्यामिति) के स्थान पर भी निर्भर करता है। इस प्रकार, यह व्यापक रूप से आवेश के परिमाण के परिमाणीकरण के लिए उपयोग किया जाता है। हालाँकि, जीटा क्षमता दोहरी परत में स्टर्न क्षमता या विद्युत सतह क्षमता के बराबर नहीं है,^[3]^[4]^[5]^[6] क्योंकि इन्हें विभिन्न स्थानों पर परिभाषित किया गया है। समानता की ऐसी धारणाओं को सावधानी के साथ लागू किया जाना चाहिए। फिर भी, डबल-लेयर गुणों के लक्षण वर्णन के लिए जीटा क्षमता अक्सर एकमात्र उपलब्ध मार्ग है।

जीटा क्षमता कोलॉइडी परिक्षेपण के परिक्षेपण स्थिरता का एक महत्वपूर्ण और आसानी से मापने योग्य संकेतक है। जीटा क्षमता का परिमाण एक परिक्षेपण में आसन्न, समान रूप से आवेशित कणों के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण की डिग्री को इंगित करता है। अणुओं और कणों के लिए जो काफी छोटे हैं, एक उच्च जीटा क्षमता स्थिरता प्रदान करेगी, अर्थात समाधान या परिक्षेपण एकत्रीकरण का विरोध करेगा। जब क्षमता कम होती है, तो आकर्षक बल इस प्रतिकर्षण से अधिक हो सकते हैं और परिक्षेपण टूट सकता है और flocculation हो सकता है। इसलिए, उच्च जीटा क्षमता (नकारात्मक या धनात्मक) वाले कोलाइड्स विद्युत रूप से स्थिर होते हैं जबकि कम जीटा क्षमता वाले कोलाइड्स जमावट या प्रवाहित होते हैं जैसा कि तालिका में बताया गया है।^[7]

[ए] एक कमजोर एसिड का पीएच-निर्भर आयनीकरण [एचए] और इसके संयुग्मित आधार [ए-] हेंडरसन-हैसलबल्च समीकरण का उपयोग करके तैयार किया गया; [बी] पीएच के एक समारोह के रूप में पीएच-उत्तरदायी बहुलक की आयनीकरण और घुलनशीलता [सी] एक माध्यम में एक कण की आवेशित सतह से दूरी के कार्य के रूप में संभावित अंतर को दर्शाने वाला एक योजनाबद्ध; [डी] अनुमति के साथ पुन: उत्पन्न पीएच-उत्तरदायी पॉलिमर के विघटन तंत्र। [D] में घिरी हुई संख्याएँ दर्शाती हैं (1) जेल परत बनाने के लिए बहुलक मैट्रिक्स में पानी और हाइड्रॉक्सिल आयनों का प्रसार, (2) जेल परत में बहुलक श्रृंखलाओं का आयनीकरण, (3) जेल से बहुलक श्रृंखलाओं का विघटन बहुलक-समाधान अंतरापृष्ठ के लिए परत, (4) बहुलक अंतरापृष्ठ पर बहुलक श्रृंखलाओं का आगे आयनीकरण, (5) विसंक्रमित बहुलक श्रृंखलाओं का अंतरफलक से बल्क समाधान की ओर प्रसार।^[8]

जीटा क्षमता का उपयोग जटिल पॉलिमर के पीकेए अनुमान के लिए भी किया जा सकता है जो पारंपरिक तरीकों का उपयोग करके सटीक रूप से मापना मुश्किल है। यह विभिन्न परिस्थितियों में विभिन्न सिंथेटिक और प्राकृतिक पॉलिमर के आयनीकरण व्यवहार का अध्ययन करने में मदद कर सकता है और पीएच उत्तरदायी पॉलिमर के लिए मानकीकृत विघटन-पीएच थ्रेसहोल्ड स्थापित करने में मदद कर सकता है।^[8]

Stability behaviour of a colloid depending on zeta potential^[9]
Magnitude of Zeta potential (mV)	Stability behavior
0 to 5	Rapid coagulation or flocculation
10 to 30	Incipient instability
30 to 40	Moderate stability
40 to 60	Good stability
>61	Excellent stability

नाप

कुछ नई उपकरण तकनीकें मौजूद हैं जो जीटा क्षमता को मापने की अनुमति देती हैं। जीटा विभवांतर एनालाइजर ठोस, फाइबर या पाउडर सामग्री को माप सकता है। उपकरण में पाया जाने वाला मोटर नमूने के माध्यम से इलेक्ट्रोलाइट समाधान का एक दोलनशील प्रवाह बनाता है। उपकरण में कई सेंसर अन्य कारकों की निगरानी करते हैं, इसलिए संलग्न सॉफ़्टवेयर जीटा क्षमता को खोजने के लिए गणना करने में सक्षम है। इस कारण से तापमान, पीएच, चालकता, दबाव और स्ट्रीमिंग क्षमता सभी को उपकरण में मापा जाता है।

जीटा क्षमता की गणना सैद्धांतिक मॉडल और एक प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित वैद्युतकणसंचलन गतिशीलता या गतिशील इलेक्ट्रोफोरेटिक गतिशीलता का उपयोग करके भी की जा सकती है।

जीटा क्षमता की गणना के लिए विद्युत् गतिक घटनाएं और इलेक्ट्रोकॉस्टिक घटनाएं डेटा के सामान्य स्रोत हैं। (ज़ीटा संभावित अनुमापन देखें।)

विद्युतगतिकी घटना

वैद्युतकणसंचलन का उपयोग एयरोसोल की जीटा क्षमता का अनुमान लगाने के लिए किया जाता है, जबकि स्ट्रीमिंग क्षमता/धारा का उपयोग झरझरा निकायों और सपाट सतहों के लिए किया जाता है। व्यवहार में, परिक्षेपण की जीटा क्षमता को परिक्षेपण पर एक विद्युत क्षेत्र लागू करके मापा जाता है। जीटा क्षमता वाले परिक्षेपण के भीतर के कण जीटा क्षमता के परिमाण के समानुपाती वेग से विपरीत आवेश वाले इलेक्ट्रोड की ओर पलायन करेंगे।

इस वेग को लेजर डॉपलर प्रभाव एनीमोमीटर की तकनीक से मापा जाता है। इन गतिमान कणों की वजह से एक घटना लेजर बीम की आवृत्ति बदलाव या चरण बदलाव को कण गतिशीलता के रूप में मापा जाता है, और इस गतिशीलता को फैलाने वाले चिपचिपापन और ढांकता हुआ पारगम्यता, और स्मोलुचोव्स्की सिद्धांतों के आवेदन द्वारा जीटा क्षमता में परिवर्तित किया जाता है।^[10]

वैद्युतकणसंचलन

इलेक्ट्रोफोरेटिक गतिशीलता इलेक्ट्रोफोरेटिक वेग के समानुपाती होती है, जो औसत दर्जे का पैरामीटर है। ऐसे कई सिद्धांत हैं जो इलेक्ट्रोफोरमैटिक गतिशीलता को जीटा क्षमता से जोड़ते हैं। वैद्युतकणसंचलन पर लेख में और कोलाइड और अंतरापृष्ठ विज्ञान पर कई पुस्तकों में विवरण में उनका संक्षेप में वर्णन किया गया है। ^[3]^[4]^[5]^[11] शुद्ध और व्यावहारिक रसायन के अंतर्राष्ट्रीय संघ टेक्निकल रिपोर्ट है^[12] विद्युत् गतिक घटना पर विश्व के विशेषज्ञों के एक समूह द्वारा तैयार किया गया। सहायक दृष्टिकोण से, तीन अलग-अलग प्रायोगिक तकनीकें हैं: माइक्रोइलेक्ट्रोफोरेसिस, वैद्युतकणसंचलन प्रकाश बिखरने और ट्यून करने योग्य प्रतिरोधक पल्स सेंसिंग। माइक्रोइलेक्ट्रोफोरेसिस में गतिमान कणों की छवि प्राप्त करने का लाभ है। दूसरी ओर, यह नमूना सेल की दीवारों पर विद्युत असमस द्वारा जटिल है। इलेक्ट्रोफोरेटिक लाइट स्कैटरिंग अदभुत प्रकाश परिक्षेपण पर आधारित है। यह एक खुले सेल में माप की अनुमति देता है जो केशिका सेल के मामले को छोड़कर इलेक्ट्रो-ऑस्मोटिक प्रवाह की समस्या को समाप्त करता है। और, इसका उपयोग बहुत छोटे कणों को चित्रित करने के लिए किया जा सकता है, लेकिन गतिमान कणों की छवियों को प्रदर्शित करने की खोई हुई क्षमता की कीमत पर। ट्यून करने योग्य प्रतिरोधक पल्स सेंसिंग (TRPS) एक प्रतिबाधा-आधारित माप तकनीक है जो प्रतिरोधक पल्स सिग्नल की अवधि के आधार पर व्यक्तिगत कणों की जीटा क्षमता को मापती है। रेफरी नाम = जीटा संभावित मापन - इज़ोन साइंस>{{cite web |url=http://izon.com/nanoparticlemeasurement/zeta-potential/ |website=Izon Science | title= टीआरपीएस के साथ जीटा संभावित मापन}</ref> nanoparticle की स्थानान्तरण अवधि को वोल्टेज और अनुप्रयुक्त दबाव के कार्य के रूप में मापा जाता है। व्युत्क्रम स्थानान्तरण समय बनाम वोल्टेज-निर्भर इलेक्ट्रोफोरेटिक गतिशीलता से, और इस प्रकार जीटा क्षमता की गणना की जाती है। टीआरपीएस विधि का मुख्य लाभ यह है कि यह कण-दर-कण आधार पर एक साथ आकार और सतह चार्ज माप की अनुमति देता है, जिससे सिंथेटिक और जैविक नैनो/माइक्रोपार्टिकल्स और उनके मिश्रण के व्यापक स्पेक्ट्रम का विश्लेषण किया जा सकता है। रेफरी>Vogel R, Pal AK, Jambhrunkar S, Patel P, Thakur SS, Reátegui E, et al. (December 2017). "ट्यून करने योग्य प्रतिरोधक पल्स सेंसिंग का उपयोग करके जैविक नैनोकणों का उच्च-रिज़ॉल्यूशन सिंगल पार्टिकल जीटा संभावित लक्षण वर्णन". Scientific Reports. 7 (1): 17479. Bibcode:2017NatSR...717479V. doi:10.1038/s41598-017-14981-x. PMC 5727177. PMID 29234015.</ref>

मापन की इन सभी तकनीकों के लिए नमूने को पतला करने की आवश्यकता हो सकती है। कभी-कभी यह कमजोर पड़ने से नमूने के गुण प्रभावित हो सकते हैं और जीटा क्षमता बदल सकती है। इस तनुकरण को करने का केवल एक ही न्यायसंगत तरीका है - संतुलन सतह पर तैरनेवाला का उपयोग करके। इस मामले में, सतह और बल्क तरल के बीच पारस्परिक संतुलन बनाए रखा जाएगा और निलंबन में कणों के सभी आयतन अंशों के लिए जीटा क्षमता समान होगी। जब तनुकारक ज्ञात हो (जैसा कि रासायनिक सूत्रीकरण के मामले में होता है), अतिरिक्त तनुकारक तैयार किया जा सकता है। यदि मंदक अज्ञात है, तो centrifugation द्वारा संतुलन सतह पर तैरनेवाला आसानी से प्राप्त किया जाता है।

स्ट्रीमिंग क्षमता, स्ट्रीमिंग करंट

स्ट्रीमिंग क्षमता एक विद्युत क्षमता है जो एक केशिका के माध्यम से तरल के प्रवाह के दौरान विकसित होती है। प्रकृति में, ज्वालामुखीय गतिविधियों वाले क्षेत्रों में एक महत्वपूर्ण परिमाण में स्ट्रीमिंग क्षमता हो सकती है।^[13] ठोस सामग्री-जल इंटरफेस पर जीटा क्षमता के आकलन के लिए स्ट्रीमिंग क्षमता भी प्राथमिक विद्युत् गतिक घटना है। एक केशिका प्रवाह चैनल बनाने के लिए एक संगत ठोस नमूना इस तरह से व्यवस्थित किया जाता है। समतल सतह वाली सामग्री को डुप्लिकेट नमूनों के रूप में माउंट किया जाता है जो समानांतर प्लेटों के रूप में संरेखित होते हैं। केशिका प्रवाह चैनल बनाने के लिए नमूना सतहों को एक छोटी दूरी से अलग किया जाता है। अनियमित आकार वाली सामग्री, जैसे फाइबर या दानेदार मीडिया, एक झरझरा नेटवर्क प्रदान करने के लिए झरझरा प्लग के रूप में घुड़सवार होते हैं, जो स्ट्रीमिंग संभावित माप के लिए केशिकाओं के रूप में कार्य करता है। एक परीक्षण समाधान पर दबाव के आवेदन पर, तरल बहना शुरू हो जाता है और एक विद्युत क्षमता उत्पन्न करता है। यह स्ट्रीमिंग क्षमता सतह जीटा क्षमता की गणना करने के लिए या तो एकल प्रवाह चैनल (एक सपाट सतह वाले नमूनों के लिए) या झरझरा प्लग (फाइबर और दानेदार मीडिया के लिए) के सिरों के बीच दबाव प्रवणता से संबंधित है।

वैकल्पिक रूप से स्ट्रीमिंग क्षमता के लिए, स्ट्रीमिंग करंट का माप सतह जीटा क्षमता के लिए एक और दृष्टिकोण प्रदान करता है। सामान्यतः, मैरियन स्मोलुचोव्स्की द्वारा प्राप्त शास्त्रीय समीकरणों का उपयोग स्ट्रीमिंग क्षमता या स्ट्रीमिंग वर्तमान परिणामों को सतह जीटा क्षमता में परिवर्तित करने के लिए किया जाता है।^[14] सरफेस जीटा विभवांतर निर्धारण के लिए स्ट्रीमिंग पोटेंशियल और स्ट्रीमिंग करंट मेथड के अनुप्रयोगों में पॉलीमर मेम्ब्रेन के सरफेस चार्ज के लक्षण वर्णन शामिल हैं,^[15] बायोमैटेरियल्स और चिकित्सा उपकरण,^[16]^[17] और खनिज।^[18]

विद्युत ध्वनिक घटना

जीटा क्षमता के लक्षण वर्णन के लिए दो इलेक्ट्रोकॉस्टिक प्रभाव व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं: कोलाइड कंपन वर्तमान और विद्युत ध्वनि आयाम।^[5]व्यावसायिक रूप से उपलब्ध उपकरण हैं जो गतिशील इलेक्ट्रोफोरेटिक गतिशीलता को मापने के लिए इन प्रभावों का फायदा उठाते हैं, जो जीटा क्षमता पर निर्भर करता है।

विद्युत-ध्वनिक तकनीकों का यह लाभ है कि वे बिना तनुकरण के अक्षुण्ण नमूनों में मापन करने में सक्षम हैं। प्रकाशित और अच्छी तरह से सत्यापित सिद्धांत इस तरह के माप को 50% तक मात्रा अंशों पर अनुमति देते हैं। गतिशील इलेक्ट्रोफोरेटिक गतिशीलता से जीटा क्षमता की गणना के लिए कणों और तरल के घनत्व पर जानकारी की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, आकार में मोटे तौर पर 300 एनएम से बड़े कणों के लिए भी आवश्यक कण आकार की जानकारी।^{[citation needed]}

गणना

प्रायोगिक डेटा से जीटा क्षमता की गणना के लिए सबसे अधिक ज्ञात और व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला सिद्धांत 1903 में मैरियन स्मोलुचोव्स्की द्वारा विकसित किया गया है।^[19] यह सिद्धांत मूल रूप से वैद्युतकणसंचलन के लिए विकसित किया गया था; हालांकि, अब विद्युत ध्वनिकी का विस्तार भी उपलब्ध है।^[5]स्मोलुचोव्स्की का सिद्धांत शक्तिशाली है क्योंकि यह किसी भी आकार और किसी भी एकाग्रता के बिखरे हुए कणों के लिए मान्य है। हालाँकि, इसकी सीमाएँ हैं:

विस्तृत सैद्धांतिक विश्लेषण ने साबित किया कि स्मोलुचोव्स्की का सिद्धांत केवल एक पर्याप्त पतली दोहरी परत के लिए मान्य है, जब डेबी की लंबाई, $1/\kappa$ , कण त्रिज्या से बहुत छोटा है, $a$ :

{\kappa }\cdot a\gg 1

पतली दोहरी परत का मॉडल न केवल वैद्युतकणसंचलन सिद्धांत के लिए बल्कि कई अन्य विद्युत् गतिक और इलेक्ट्रोकॉस्टिक सिद्धांतों के लिए जबरदस्त सरलीकरण प्रदान करता है। यह मॉडल अधिकांश जलीय प्रणालियों के लिए मान्य है क्योंकि डेबी की लंबाई सामान्यतः पानी में केवल कुछ नैनोमीटर होती है। यह मॉडल केवल नैनो-कोलाइड्स के लिए आयनिक शक्ति वाले घोल में शुद्ध पानी के निकट आता है।

स्मोलुचोव्स्की का सिद्धांत सतह चालकता के योगदान की उपेक्षा करता है। यह आधुनिक सिद्धांतों में एक छोटी दुखिन संख्या की स्थिति के रूप में व्यक्त किया गया है:

Du\ll 1

20वीं शताब्दी के दौरान कई अध्ययनों का उद्देश्य वैधता की एक विस्तृत श्रृंखला के साथ इलेक्ट्रोफोरेटिक और इलेक्ट्रोकॉस्टिक सिद्धांतों का विकास था। कई विश्लेषणात्मक सिद्धांत हैं जो सतह चालकता को शामिल करते हैं और विद्युत् गतिक और इलेक्ट्रोकॉस्टिक दोनों अनुप्रयोगों के लिए छोटे दुखिन संख्या के प्रतिबंध को समाप्त करते हैं।

उस दिशा में प्रारंभिक अग्रणी कार्य ओवरबीक के समय से शुरू होता है^[20] और बूथ।^[21] आधुनिक, कठोर विद्युत् गतिक सिद्धांत जो किसी भी जीटा क्षमता के लिए मान्य हैं, और अक्सर कोई भी $\kappa a$ , ज्यादातर सोवियत यूक्रेनी (दुखिन, शिलोव, और अन्य) और ऑस्ट्रेलियाई (ओ'ब्रायन, व्हाइट, हंटर, और अन्य) स्कूलों से आते हैं। ऐतिहासिक रूप से, पहला दुखिन-सेमेनिखिन सिद्धांत था।^[22] इसी तरह का सिद्धांत दस साल बाद ओ'ब्रायन और हंटर द्वारा बनाया गया था।^[23] एक पतली दोहरी परत मानते हुए, ये सिद्धांत ऐसे परिणाम देंगे जो ओ'ब्रायन और व्हाइट द्वारा प्रदान किए गए संख्यात्मक समाधान के बहुत करीब हैं।^[24] सामान्य विद्युत ध्वनिक सिद्धांत भी हैं जो डेबी लंबाई और दुखिन संख्या के किसी भी मान के लिए मान्य हैं।^[5]^[11]

हेनरी का समीकरण

जब κa बड़े मूल्यों के बीच होता है जहां सरल विश्लेषणात्मक मॉडल उपलब्ध होते हैं, और निम्न मान जहां संख्यात्मक गणना मान्य होती है, हेनरी के समीकरण का उपयोग तब किया जा सकता है जब जीटा क्षमता कम हो। एक अचालक क्षेत्र के लिए, हेनरी का समीकरण है $u_{e}={\frac {2\varepsilon _{rs}\varepsilon _{0}}{3\eta }}\zeta f_{1}(\kappa a)$ , जहां एफ₁ हेनरी फ़ंक्शन है, फ़ंक्शंस के संग्रह में से एक है जो आसानी से 1.0 से 1.5 तक भिन्न होता है क्योंकि κa अनंत तक पहुंचता है।^[12]

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