Fuerzas de doble capa
Las fuerzas de doble capa ocurren entre objetos cargados a través de líquidos, generalmente agua. Esta fuerza actúa sobre distancias que son comparables a la longitud de Debye , que es del orden de una a unas pocas décimas de nanómetros . La fuerza de estas fuerzas aumenta con la magnitud de la densidad de carga de la superficie (o el potencial eléctrico de la superficie). Para dos objetos cargados de manera similar, esta fuerza es repulsiva y decae exponencialmente a distancias mayores, ver figura. Para objetos con carga desigual y eventualmente a distancias cortas, estas fuerzas también pueden ser atractivas. La teoría debida a Derjaguin, Landau, Verwey y Overbeek (DLVO) combina tales fuerzas de doble capa junto con las fuerzas de Van der Waals.para estimar el potencial de interacción real entre partículas coloidales. [1]
Una doble capa eléctrica se desarrolla cerca de superficies cargadas (u otros objetos cargados) en soluciones acuosas. Dentro de esta doble capa, la primera capa corresponde a la superficie cargada. Estas cargas pueden originarse a partir de iones fuertemente adsorbidos, grupos superficiales disociados o iones sustituidos dentro de la red cristalina. La segunda capa corresponde a la capa difusa, que contiene la carga neutralizante que consiste en contraiones acumulados y coiones empobrecidos. El perfil de potencial resultante entre estos dos objetos conduce a diferencias en las concentraciones iónicas dentro del espacio entre estos objetos con respecto a la solución a granel. Estas diferencias generan una presión osmótica, que genera una fuerza entre estos objetos.
Estas fuerzas se experimentan fácilmente cuando se lavan las manos con jabón. Las moléculas de jabón absorbentes hacen que la piel se cargue negativamente y la sensación resbaladiza es causada por las fuerzas de doble capa fuertemente repulsivas. [2] Estas fuerzas son más relevantes en muchos sistemas coloidales o biológicos, y pueden ser responsables de su estabilidad, formación de cristales coloidales o sus propiedades reológicas.
El modelo más popular para describir la doble capa eléctrica es el modelo de Poisson-Boltzmann (PB). Este modelo se puede utilizar igualmente para evaluar fuerzas de doble capa. Analicemos este modelo en el caso de la geometría plana como se muestra en la figura de la derecha. En este caso, el perfil de potencial eléctrico ψ ( z ) cerca de una interfaz cargada solo dependerá de la posición z . La ecuación de Poisson correspondiente se lee en unidades SI
donde ρ es la densidad de carga por unidad de volumen, ε 0 la permitividad dieléctrica del vacío y ε la constante dieléctrica del líquido. Para un electrolito simétrico que consta de cationes y aniones que tienen una carga ± q , la densidad de carga se puede expresar como
donde c ± = N ± / V son las concentraciones de los cationes y aniones, donde N ± son sus números y V el volumen de la muestra. Estos perfiles se pueden relacionar con el potencial eléctrico considerando el hecho de que el potencial químico de los iones es constante. Para ambos iones, esta relación se puede escribir como
