נקודת אפס

נקודת אפס (באנגלית: Point of zero charge ובקיצור: pzc), היא מושג בכימיה פיזיקלית המתייחס לתופעה של ספיחה, והיא מתארת מצב שבו צפיפות המטען החשמלי על פני השטח שווה ל-0. ערך זה נקבע בדרך כלל ביחס ל-PH של אלקטרוליט, ומהווה תכונה של סובסטרט נתון או חלקיק קולואידאלי.

לדוגמה, נקודת האפס של FeOOH מוצק היא 9. במילים אחרות, נקודת האפס היא ערך ה-pH שבו מוצק שקוע באלקטרוליט מציג אפס מטען חשמלי על פני השטח.

מושג נוסף באלקטרוכימיה הקשור לנושא הוא פוטנציאל האלקטרודות בנקודת האפס.

רמת החומציות משמשת לקביעת נקודת האפס רק עבור מערכות שבהן ⁻H⁺/OH הם היונים מגדירי הפוטנציאל (כפי שקורה ברוב המערכות).

כאשר ה-PH נמוך מנקודת האפס, המים החומציים תורמים יותר פרוטונים מאשר הקבוצות ההידרוקסיליות ולכן המשטח הסופח טעון חיובית (מושך אניונים). לחלופין, מעל לנקודת האפס, המשטח הסופח טעון שלילית (מושך קטיונים/דוחה אניונים).

בנקודה זו, המערכת הקולואידלית מציגה אפס פוטנציאל זטה, יציבות מינימלית, מסיסות מקסימלית וצמיגות מקסימלית.

נקודת האפס היא יסוד חשוב במדעי הסביבה. היא קובעת את היכולת של משטח לספוג יונים מזיקים.

ביחס לנקודה איזואלקטרית

כאשר אין ספיחה של יונים אחרים מלבד ⁻H⁺/OH, נקודת האפס זהה לנקודה האיזואלקטרית (iep). מקרה זה שכיח עבור יוני חמצן טהור במים. בנוכחות ספיחה ספציפית, יש הבדל בין נקודת האפס לנקודה האיזואלקטרית.

שיטת מדידה

נקודת האפס מאובחנת בדרך כלל על ידי טיטור בסיס-חומצה של דיספרסיות קולאידליות תוך ניטור הניידות האלקטרופורזית של החלקיקים ואת ה- pH של התרחיף. כדי להבדיל בין ה-pzc לבין ה-iep נדרשים מספר טיטורים באמצעות אלקטרוליטים שונים. מתקבלים 2 גרפים:

• PH כפונקציה של כמות בסיס/חומצה
• פוטנציאל זטה כפונקציה של ה-PH

נקודת החיתוך בין 2 העקומות היא נקודת האפס, ה-pzc.

יישומים באלקטרוכימיה

אלקטרוליזה של המים

באלקטרוכימיה, הממשק בין האלקטרודה לאלקטרוליטים בדרך כלל טעון. אם האלקטרודה פולריזבלית, אזי המטען על פני האלקטרודה תלוי בפוטנציאל החשמלי שלה .

פוטנציאל האלקטרודה בנקודת האפס מוגדר כך:

$E_{pzc}=E-E_{\sigma =0}$

כאשר:

• $E_{pzc}$- פוטנציאל האלקטרודה בנקודת האפס ביחס לנקודה שבה המטען על פני שטחה הוא אפס.
• $E$- הפוטנציאל של האלקטרודה אותה ביחס לאלקטרודת ייחוס בעלת פוטנציאל מוגדר V
• $E_{\sigma =0}$- הפוטנציאל של האלקטרודה אותה כאשר על פני שטחה המטען הוא אפס, בהיעדרו של משטח ספיחה ספציפי חוץ ממנה, ביחס לאלקטרודת ייחוס בעלת פוטנציאל מוגדר V.

המבנה של אלקטרוליט על פני האלקטרודה תלוי גם במטען על פני השטח, שמשתנה סביב פוטנציאל האלקטרודה בנקודת האפס, $E_{pzc}$. לדוגמה, מבנה מולקולת מים (המורכבת מ-2 יוני מימן חיוביים ויון חמצן שלילי) שמונחת על אלקטרודות פלטינה, משתנה בצורה הבאה:

• עבור משטח טעון שלילית - יון החמצן מקבל אוריינטציה כלפי מעלה בעוד קשרי המימן נותרים חלשים.
• עבור משטח טעון חיובית - האוריינטציה של היונים היא שטוחה וקשרי המימן נעשים חזקים.

לקריאה נוספת

• Kosmulski M. (2009). Surface Charging and Points of Zero Charge. CRC Press; 1st edition (Hardcover). ISBN 978-1-4200-5188-9