Point de charge zéro

Le point de charge zéro (pzc) est généralement décrit comme le pH auquel la charge électrique nette de la surface des particules (c'est-à-dire la surface de l'adsorbant ) est égale à zéro. Ce concept a été introduit dans les études portant sur la floculation colloïdale pour expliquer pourquoi le pH affecte le phénomène.

Un concept connexe en électrochimie est le potentiel d'électrode au point de charge zéro. En général, le pzc en électrochimie est la valeur du logarithme décimal négatif de l' activité de l'ion déterminant le potentiel dans le fluide en vrac. Le pzc est d'une importance fondamentale dans la science des surfaces . Par exemple, dans le domaine des sciences de l'environnement , il détermine la facilité avec laquelle un substrat est capable d' adsorber des ions potentiellement nocifs. Il a également d'innombrables applications dans la technologie des colloïdes , par exemple la flottation des minéraux. Par conséquent, la valeur pzc a été examinée dans de nombreuses applications de l'adsorption à la science de l'environnement. La valeur pzc est généralement obtenue par titrages et plusieurs méthodes de titrage ont été développées. Des valeurs connexes associées aux caractéristiques du sol existent avec la valeur pzc, notamment le point de charge zéro (zpc), le point de charge nette zéro (pznc), etc.

Le point de charge zéro est la valeur du pH pour laquelle la charge de surface nette de l'adsorbant est égale à zéro. Ce concept a été introduit par un intérêt croissant pour le pH de la solution lors des expériences d'adsorption. La raison en est que l'adsorption de certaines substances dépend fortement du pH. La valeur pzc est déterminée par les caractéristiques d'un adsorbant. Par exemple, la charge de surface de l'adsorbant est décrite par l'ion qui se trouve à la surface de la particule (adsorbant) comme sur l'image. À un pH plus bas, les ions hydrogène (protons, H ⁺ ) seraient plus adsorbés que les autres cations (adsorbat) de sorte que les autres cations seraient moins adsorbés que dans le cas de la particule chargée négativement. En revanche, si la surface est chargée positivement et que le pH augmente, les anions seront moins adsorbés à mesure que le pH augmente. Du point de vue de l'adsorbant, si le pH de la solution est inférieur à la valeur pzc, la charge de surface de l'adsorbant deviendrait positive de sorte que les anions puissent être adsorbés. Inversement, si le pH est supérieur à la valeur pzc, la charge de surface serait négative de sorte que les cations puissent être adsorbés.

Par exemple, la charge électrique à la surface des cristaux d'iodure d'argent (AgI) peut être déterminée par la concentration d' ions iodure présents dans la solution au-dessus des cristaux. Ensuite, la valeur pzc de la surface d'AgI sera décrite par une fonction de la concentration en I ⁻ dans la solution (ou par le logarithme décimal négatif de cette concentration, -log ₁₀ [I ^– ] = p I ⁻ ).

Le pzc est le même que le point isoélectrique (iep) s'il n'y a pas d'adsorption d'autres ions que le potentiel déterminant H ⁺ /OH ⁻ à la surface . les oxydes purs (« surface vierge ») en suspension dans l'eau. En présence d'adsorption spécifique, le pzc et le point isoélectrique ont généralement des valeurs différentes.

Le pzc est généralement obtenu par titrages acide-base de dispersions colloïdales tout en surveillant la mobilité électrophorétique des particules et le pH de la suspension. Plusieurs titrages sont nécessaires pour distinguer le pzc du iep, en utilisant différents électrolytes de support (y compris en faisant varier la force ionique de l'électrolyte ). Une fois que des courbes satisfaisantes sont obtenues (quantité acide/base - pH et pH - potentiel zêta ), le pzc est établi comme le point d'intersection commun (cip) des lignes. Par conséquent, le pzc est également parfois appelé cip.

Outre pzc, iep et cip, il existe également de nombreux autres termes utilisés dans la littérature, généralement exprimés sous forme d'acronyme , avec une signification identique ou (ce qui prête à confusion) presque identique : point zéro de charge (zpc), point de charge nette nulle (pznc), point de charge nette nulle du proton (pznpc), point vierge de charge nulle (ppzc), point d'effet salin nul (pzse), point zéro de titration (zpt) de dispersion colloïdale, et point isoélectrique du solide (ieps) et point de tension superficielle nulle (pzst ou pzs ).

En électrochimie, l' interface électrode -électrolyte est généralement chargée. Si l'électrode est polarisable , sa charge de surface dépend du potentiel de l'électrode .

L'IUPAC définit le potentiel au point de charge nulle comme le potentiel d'une électrode (par rapport à une électrode de référence définie ) auquel l'une des charges définies est nulle.

Le potentiel de charge nulle est utilisé pour déterminer le potentiel absolu de l'électrode dans un électrolyte donné .

L'IUPAC définit également la différence de potentiel par rapport au potentiel de charge nulle comme suit :

E _pzc = E − E _σ=0

où:

• E _pzc est la différence de potentiel de l'électrode par rapport au point de charge nulle, E _σ=0
• E est le potentiel de la même électrode par rapport à une électrode de référence définie en volts
• E _σ=0 est le potentiel de la même électrode lorsque la charge de surface est nulle, en l'absence d'adsorption spécifique autre que celle du solvant, par rapport à l'électrode de référence telle qu'utilisée ci-dessus, en volts

La structure de l'électrolyte à la surface de l'électrode peut également dépendre de la charge de surface, avec un changement autour du potentiel pzc. Par exemple, sur une électrode en platine, il a été rapporté que les molécules d'eau étaient faiblement liées à l'hydrogène avec une orientation « oxygène vers le haut » sur les surfaces chargées négativement, et fortement liées à l'hydrogène avec une orientation presque plate sur les surfaces chargées positivement.

Au niveau pzc, le système colloïdal présente un potentiel zêta nul (c'est-à-dire que les particules restent stationnaires dans un champ électrique ), une stabilité minimale (présente un taux de coagulation ou de floculation maximal ), une solubilité maximale de la phase solide, une viscosité maximale de la dispersion et d'autres particularités.

Dans le domaine des sciences environnementales, l'adsorption est impliquée dans de nombreuses techniques qui peuvent éliminer les polluants et régir la concentration de produits chimiques dans les sols et/ou l'atmosphère. Lors de l'étude de la dégradation des polluants ou d'un processus de sorption, il est important d'examiner la valeur pzc liée à l'adsorption. Par exemple, les substrats naturels et organiques, notamment les cendres de bois, la sciure de bois, etc., sont utilisés comme adsorbants en éliminant les métaux lourds nocifs comme l'arsenic, le cobalt, l'ion mercure, etc. dans le drainage neutre contaminé (CND), qui est un réacteur passif qui pourrait permettre l'adsorption des métaux avec des matériaux à faible coût. Par conséquent, les valeurs pzc des substrats organiques ont été évaluées pour optimiser la sélection des matériaux dans le CND. Un autre exemple est l'émission d' acide nitreux , qui contrôle la capacité oxydative de l'atmosphère . Différents pH du sol conduisent à différentes charges de surface des minéraux, de sorte que l'émission d'acide nitreux varierait, ce qui aurait un impact supplémentaire sur le cycle biologique impliqué dans les espèces d'acide nitreux.

• Kosmulski M. (2009). Surface Charging and Points of Zero Charge . CRC Press ; 1ère édition (couverture rigide). ISBN 978-1-4200-5188-9