جهد زيتا

جهد زيتا هو الجهد الكهربائي عند مستوى الانزلاق. هذا المستوى هو السطح الفاصل الذي يفصل السائل المتحرك عن السائل الذي يبقى ملتصقًا بالسطح.

جهد زيتا هو مصطلح علمي يُشير إلى الجهد الكهروكينيتيكي ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} في المحاليل الغروية . في أدبيات الكيمياء الغروية ، يُرمز إليه عادةً بالحرف اليوناني زيتا (ζ) ، ومن هنا جاء مصطلح جهد زيتا . تُقاس وحداته عادةً بالفولت (V) أو، بشكل أكثر شيوعًا، بالملي فولت (mV). من الناحية النظرية، يُمثل جهد زيتا الجهد الكهربائي في الطبقة المزدوجة البينية (DL) عند موضع مستوى الانزلاق بالنسبة لنقطة في السائل بعيدًا عن السطح البيني. بعبارة أخرى، جهد زيتا هو فرق الجهد بين وسط التشتت والطبقة الثابتة من السائل الملتصقة بالجسيم المُشتت .

ينشأ جهد زيتا من صافي الشحنة الكهربائية الموجودة في المنطقة المحصورة بمستوى الانزلاق، ويعتمد أيضًا على موقع هذا المستوى . لذا، يُستخدم على نطاق واسع لتحديد مقدار الشحنة. مع ذلك، لا يُساوي جهد زيتا جهد ستيرن أو جهد السطح الكهربائي في الطبقة المزدوجة، ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} لأن هذه الجهود تُعرَّف في مواقع مختلفة. ينبغي توخي الحذر عند تطبيق افتراضات التساوي هذه. ومع ذلك، غالبًا ما يكون جهد زيتا هو السبيل الوحيد المتاح لتوصيف خصائص الطبقة المزدوجة.

يُعدّ جهد زيتا مؤشرًا هامًا وسهل القياس لاستقرار التشتتات الغروية. تشير قيمة جهد زيتا إلى درجة التنافر الكهروستاتيكي بين الجسيمات المتجاورة ذات الشحنات المتشابهة في التشتت. بالنسبة للجزيئات والجسيمات الصغيرة، يُضفي جهد زيتا العالي استقرارًا، أي أن المحلول أو التشتت يقاوم التكتل. عندما يكون الجهد منخفضًا، قد تتجاوز قوى التجاذب هذا التنافر، مما قد يؤدي إلى تفكك التشتت وتكتله . لذا، فإن الغرويات ذات جهد زيتا العالي (سواءً كان سالبًا أو موجبًا) تكون مستقرة كهربائيًا، بينما تميل الغرويات ذات جهد زيتا المنخفض إلى التخثر أو التكتل كما هو موضح في الجدول. ^{[ 7 ]}

يمكن أيضًا استخدام جهد زيتا لتقدير قيمة pKa للبوليمرات المعقدة التي يصعب قياسها بدقة باستخدام الطرق التقليدية. وهذا يساعد في دراسة سلوك التأين لمختلف البوليمرات الاصطناعية والطبيعية في ظل ظروف متنوعة، كما يساعد في وضع عتبات قياسية للذوبان ودرجة الحموضة للبوليمرات المستجيبة لدرجة الحموضة. ^{[ 8 ]}

توجد عدة طرق لقياس جهد زيتا موصوفة في معايير المنظمة الدولية للمقاييس ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} . تتضمن هذه الوثائق وصفًا تفصيليًا لإجراءات قياس الحركة الكهربائية والحركة الكهربائية الديناميكية ، والتي تُستخدم كبيانات تجريبية أولية لحساب جهد زيتا. كما تتضمن نظرة عامة على النماذج النظرية اللازمة لحساب جهد زيتا من البيانات الأولية المقاسة.

تُعدّ نظرية ماريان سمولوشوفسكي، التي طُوّرت عام 1903، النظرية الأكثر شهرةً واستخدامًا لحساب جهد زيتا من البيانات التجريبية. ^{[ 25 ]} تتميز نظرية سمولوشوفسكي بقوتها لأنها صالحة للجسيمات المشتتة مهما كان شكلها أو تركيزها . ومع ذلك، فإن لها حدودها:

• أثبت التحليل النظري المفصل أن نظرية سمولوشوفسكي صالحة فقط لطبقة مزدوجة رقيقة بما فيه الكفاية، عندما يكون طول ديباي ،${\displaystyle 1/\kappa }$، أصغر بكثير من نصف قطر الجسيم،${\displaystyle a}$:

${\displaystyle {\kappa }\cdot a\gg 1}$

يُقدّم نموذج "الطبقة المزدوجة الرقيقة" تبسيطات هائلة ليس فقط لنظرية الترحيل الكهربائي، بل للعديد من النظريات الكهروكينيتيكية والكهروصوتية الأخرى. يُعدّ هذا النموذج صالحًا لمعظم الأنظمة المائية لأن طول ديباي لا يتجاوز عادةً بضعة نانومترات في الماء. ولا يصحّ هذا النموذج إلا في حالة الجسيمات النانوية الغروية في محلول ذي قوة أيونية تقارب قوة الماء النقي.

• تتجاهل نظرية سمولوشوفسكي مساهمة الموصلية السطحية . ويُعبَّر عن ذلك في النظريات الحديثة بشرط انخفاض عدد دوخين .

${\displaystyle Du\ll 1}$

كان تطوير نظريات الرحلان الكهربائي والكهروصوتية ذات نطاق صلاحية أوسع هدفًا للعديد من الدراسات خلال القرن العشرين. وتوجد عدة نظريات تحليلية تُدمج موصلية السطح وتزيل قيد صغر عدد دوخين في تطبيقات كل من الحركية الكهربائية والكهروصوتية.

يعود العمل الرائد المبكر في هذا الاتجاه إلى أوفربيك ^{[ 26 ]} وبوث. ^{[ 27 ]}

نظريات حركية كهربائية حديثة ودقيقة صالحة لأي جهد زيتا، وغالبًا لأي${\displaystyle \kappa a}$تنبع هذه النظريات في الغالب من المدارس السوفيتية الأوكرانية (دوخين، شيلوف، وآخرون) والأسترالية (أوبراين، وايت، هنتر، وآخرون). تاريخيًا، كانت نظرية دوخين-سيمينخين هي الأولى. ^{[ 28 ]} وقد طُورت نظرية مماثلة بعد عشر سنوات على يد أوبراين وهنتر. ^{[ 29 ]} وبافتراض وجود طبقة مزدوجة رقيقة، تُعطي هذه النظريات نتائج قريبة جدًا من الحل العددي الذي قدمه أوبراين ووايت. ^{[ 30 ]} كما توجد نظريات عامة في مجال الصوتيات الكهربائية صالحة لأي قيمة لطول ديباي ورقم دوخين. ^{[ 15 ]}