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Zetapotenzial Zetapotenzial – den Partikeln auf der Spur

| Autor / Redakteur: Hanno Wachernig* und Udo Mantica** / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Das Zetapotenzial gibt häufig frühe Hinweise auf die Stabilität von kolloidalen Stoffsystemen und Dispersionen. Auf diese Weise lassen sich Formulierungsabläufe verkürzen und neue Einsichten über die für Wechselwirkungen wichtige Partikel-Grenzfläche gewinnen. Ein neues Elektrophorese-Laser-Streulicht-Mikroskop erlaubt die Bestimmung von Zetapotenzialverteilungen unterschiedlich geladener Partikel sowie unterschiedlicher Partikelsorten oder -größen.

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 1  Kationisch geladene Partikeloberfläche mit abklingendem Potenzialverlauf und diffuser Schicht. Der Potenzialverlauf bildet sich durch einen Überschuss an anionischen Ladungsträgern aus dem flüssigen Medium. (Bilder: Particle Metrix)
 1  Kationisch geladene Partikeloberfläche mit abklingendem Potenzialverlauf und diffuser Schicht. Der Potenzialverlauf bildet sich durch einen Überschuss an anionischen Ladungsträgern aus dem flüssigen Medium. (Bilder: Particle Metrix)
( Archiv: Vogel Business Media )

Die abstoßende Kraft zwischen gleichsinnig geladenen Teilchen einer Dispersion zu nutzen, ist ein beliebtes Konzept, um gegen die anziehende Van-der-Waals-Kraft anzukämpfen. An den Partikeln einer Suspension, Emulsion oder eines Kolloids kommt es an der Grenzschicht zur Flüssigkeit zur Ausbildung eines Grenzflächenpotenzialverlaufs. Dieser bildet sich durch gegensinnig geladene Überschuss-Ionen aus der umgebenden Flüssigkeit, die beispielsweise bei einer Ionenstärke von 1 mMol KCl eine Ladungsneutralisierung im Abstand von etwa 10 nm erreichen. Der Potenzialverlauf selbst kann je nach Stoffkomponenten sehr unterschiedlich sein. Da dieser nicht messbar ist, zumindest nicht in den ersten fest angelagerten Ionenschichten, ist für die Praxis nur das messbare Potenzial interessant. Dieses liegt an der Grenze zwischen fest und schwach gebundenen Ionen. Denn dort kann eine mechanische oder elektrische Kraft angreifen, die äußeren Ladungen abscheren und damit den Potenzialsprung – das Zetapotenzial – sichtbar machen. Die Situation ist in Abbildung 1 durch einen exponentiell abklingenden Potenzialverlauf vereinfacht dargestellt.

Messung des Zetapotenzials

In einem elektrischen Feld werden die lose gebundenen äußeren Ladungsträger abgeschert. Das angelegte Feld wirkt auf die durch das Zetapotenzial charakterisierte Ladung und setzt damit die Partikel in Bewegung. Je höher das Zetapotenzial ξ ist, umso schneller bewegen sich die Partikel. Die auf die Feldstärke E bezogene Geschwindigkeit u wird „elektrophoretische Mobilität“ µe genannt und kann gut gemessen werden.

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µe = u / E

Aus der µe wird in wässrigen Systemen nach Helmholtz-Smoluchowski das Zetapotenzial abgeleitet. Auch wenn die Formel nicht in allen Fällen genau anwendbar ist, so einigt man sich zum Zwecke der Vergleichbarkeit auf diese Smoluchowski-Beziehung:

µe = εξ / η wo

ξ das Zetapotenzial,

u die Geschwindigkeit der Partikel,

E die elektrische Feldstärke,

η die Viskosität des Mediums und

ε die Dielektrizitätskonstante des flüssigen Mediums bedeuten.

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