ઝીટા વિભવ

ઝીટા વિભવ ( potential) : ઘન અને પ્રવાહી પદાર્થો એકબીજાના સંપર્કમાં આવે તે આંતરપૃષ્ઠ (interface) આગળના, ખાસ કરીને વીજભારિત કલિલી (colloidal) કણોની આસપાસના વિદ્યુતીય દ્વિસ્તરમાંનો વીજગતિજ (electrokinetic) વિભવ. એક માધ્યમમાં વીજભારિત કણોના અથવા વીજભારિત કણો ઉપરથી માધ્યમના સાપેક્ષ સંચરણ (movement) સાથે ચાર વીજગતિજ ઘટનાઓ સંકળાયેલી છે : (ક) વિદ્યુતનિસ્સરણ (electrophoresis), (ખ) વિદ્યુતપરાસરણ (electroosmosis), (ગ) અભિસ્રવણ (streaming) વિભવ અને (ઘ) અવસાદન (sedimentation) વિભવ  અથવા ડોર્ન અસર. આ બધી ઘટનાઓ વિભવ દ્વારા એકબીજી સાથે સંકળાયેલી હોઈ તેમનું અર્થઘટન કરવામાં આ વિભવ મદદરૂપ થાય છે.

કાચ જેવો એક ઘન પદાર્થ પાણી જેવા પ્રવાહીના સંપર્કમાં આવે ત્યારે કાચની સપાટી હાઇડ્રૉક્સિલ (OH¯) આયનોને અધિશોષી પાણીને અનુલક્ષીને ઋણભારવાહી બને છે. આ વીજભારને તટસ્થ કરવા કાચની સપાટી આગળ હાઇડ્રોજન (H⁺) આયનો આકર્ષાઈને વીજભારોનો દ્વિસ્તર (double layer) ઉત્પન્ન કરે છે, જેમાં ઋણભાર કાચની સપાટી ઉપર અને ધનભાર સપાટીની નિકટ આવેલા જલીય સ્તરમાં રહેલો હોય છે (આથી ઊલટી ઘટના પણ બની શકે). વીજભારોની આ ગોઠવણી ઘન અને પ્રવાહી વચ્ચે વીજવિભવ (electric potential) ઉત્પન્ન કરે છે.

પ્રચલિત માન્યતા પ્રમાણે દ્વિસ્તર કાંઈક અંશે પ્રસરિત (diffused) હોઈ તે પ્રવાહીમાં ફેલાયેલો હોય છે. અહીં સપાટીને અડીને આવેલા વીજભારો કદાચ સપાટીની ઉપર આવેલા છે અને કેટલાક સમકારી (compensating) વીજભારો સપાટીને લાગેલા પ્રવાહીમાં અને બાકીના આ સ્તરની નજીક આવેલા વિદ્યુતવિભાજ્ય(electrolyte)માં એક પ્રકારના વિસરિત અને ચલનશીલ વાતાવરણ રૂપે વહેંચાયેલા હોય છે. આ ખ્યાલ પ્રમાણે ઘન સપાટી અને પ્રવાહી વચ્ચે વિભવનો ઘટાડો બે ભાગમાં ઉદભવે છે : (ક) સપાટી અને સ્થિર સમકારી સ્તર વચ્ચે અને (ખ) સમકારી સ્તર અને દ્રાવણના જથ્થા વચ્ચે. બીજા પ્રકારની ઘટનાને ઝીટા વિભવ કહે છે. તે ઘનપ્રવાહી આંતરપૃષ્ઠ વચ્ચેના વિવિધ અસ્થૈતિક (nonstatic) વિદ્યુત-ગુણધર્મો સાથે સંકળાયેલ છે તેમજ કલિલી પદાર્થોની વૈદ્યુત અસરો માટે જવાબદાર છે. જો ઘન અને પ્રવાહી સપાટી આગળના વિદ્યુત-દ્વિસ્તરને એકબીજાથી d અંતરે રહેલા સમાંતર તકતીઓવાળા કન્ડેન્સર તરીકે ગણવામાં આવે અને તકતીના પ્રત્યેક ચો.સેમી. ઉપરનો વીજભાર s હોય તો સ્થિરવીજવિજ્ઞાન (electro-statics, સ્થિર-વિદ્યુતિકી) પ્રમાણે

= 4 π σ d / D

જ્યાં એ બે તકતીઓ વચ્ચે વિભવનો તફાવત (અહીં ઝીટા વિભવ) અને D માધ્યમનો પરાવૈદ્યુતાંક (dielectric constant) છે.

આવી એક ઋણભારિત સપાટીની આસપાસ વિદ્યુતવિભાજ્યનાં આયનોની ગોઠવણી અને સપાટીથી અંતરના વધવા સાથે વિભવ Ψ°નો ફેરફાર આકૃતિ 1માં દર્શાવ્યો છે. અહીં Ψ° એ ઉષ્માગતિજ (thermodynamic) પ્રતિવર્તી વીજધ્રુવ વિભવ છે, જે દ્વિસ્તરના ગુણધર્મોથી સ્વતંત્ર છે અને ફક્ત વીજભારિત સપાટી સાથે પ્રતિવર્તી વીજરાસાયણિક સમતોલનમાં રહેલ આયનની સાંદ્રતા ઉપર આધારિત છે. સ્ટર્નની માન્યતા પ્રમાણે વીજભારિત સપાટી સાથે આયનોના બે પ્રકારના સ્તરો આવેલા હોય છે. સપાટીને અડીને આવેલ આયનોના સ્તરને સ્ટર્નનો સ્તર કહે છે. આ સ્તરમાંનાં આયનો સ્થિરવૈદ્યુત (electrostatic) આકર્ષણ તેમજ વિશિષ્ટ અધિશોષણ-બળો (દા.ત., ટૂંકી સીમાવાળા વાન ડર વૉલ્સનાં બળો તથા રાસાયણિક બંધો) દ્વારા વીજભારિત સપાટી સાથે જડાયેલાં હોય છે. આ સ્તરની જાડાઈ d એ અધિશોષિત આયનોની ત્રિજ્યા જેટલી હોવાનું માનવામાં આવે છે. સ્ટર્નના આ સ્તરમાં વિભવ (Ψ) રૈખિક રીતે ઘટે છે :

તેને અડીને આવેલા બીજા સ્તરને ગૉય (Gouy) સ્તર કહે છે. બે સ્તર વચ્ચેની સીમાને સીમાંત (limiting) ગૉય સ્તર કહે છે. આ ગૉય સ્તરમાંનાં આયનો ઉપર ફક્ત સ્થિરવૈદ્યુત બળો અને પ્રવાહી પર્યાવરણની ઉષ્મીય હલચલ(બ્રાઉનિયન ગતિ)ની અસર થાય છે અને તેઓ સીમાંત ગોય સમતલ આગળના વાસ્તવિક વીજભારથી વિરુદ્ધ ભારવાળાં (આકૃતિમાં ધનભારવાળાં) આયનોનું વિસરિત વાતાવરણ સર્જે છે. સીમાંત ગૉય સમતલથી અંતરના વધવા સાથે આ પ્રસરિત આયનિક-વાતાવરણની વાસ્તવિક વીજભાર ઘનતા (net charge density) ઘાતાંકીય રીતે ઘટે છે. આ ગૉય સ્તરમાં અંતરના વધવા સાથે વિભવ પણ ઘાતાંકીય રીતે ઘટે છે. આમ ગૉય સ્તર એ વિદ્યુતીય દ્વિસ્તરનો ધનાર્ધ (positive half) (જો ઘન સપાટી ધનભારવાહી હોય તો ઋણાર્ધ) અને વીજભારિત સપાટી અને સ્ટર્ન સ્તર એ તેનો ઋણાર્ધ બને છે. આગળ દર્શાવેલી ચારેય વીજગતિજ  ઘટનાઓમાં વિરૂપણ તલ (plane of shear) તરીકે ઓળખાતા એક સ્તર આગળ સ્થાનાંતરણ (displacement) ઉત્પન્ન થાય છે. વિસર્ર્પી (slipping) તલ આકૃતિ 1માં ગૉય સ્તરમાં આવેલું છે. અપરૂપણ અથવા વિરૂપણ તલનો વિભવ એ વિભવ છે. કલિલ જેવા ગોળાકાર કણો માટે ગૉય-ચેપમૅન સિદ્ધાંત મુજબ વિભવ નીચેના સમીકરણ વડે દર્શાવી શકાય :

જ્યાં 1/K એ દ્વિસ્તરની અસરકારક જાડાઈ, q વિરૂપણ તલમાં રહેલા કણ ઉપરનો ચોખ્ખો અથવા વાસ્તવિક વીજભાર, D પ્રવાહીનો પરાવૈદ્યુતાંક અને a વિરૂપણ તલ આગળ કણની ત્રિજ્યા છે. સપાટ પૃષ્ઠો માટે વિભવ આગળ જણાવ્યું તેમ નીચેના સમીકરણ વડે દર્શાવાય છે :

જ્યાં σ એ સપાટીના એકમ ક્ષેત્રફળ દીઠ વીજભાર છે.

ઉપરનાં સમીકરણો બતાવે છે કે વિભવ એ વિરૂપણ તલ આગળના વાસ્તવિક વીજભાર અને આયનિક વાતાવરણની અસરકારક જાડાઈ વડે નક્કી થાય છે. એમ પણ કહી શકાય કે વીજભારિત સપાટી અને તેને અડીને આવેલા પ્રવાહી વચ્ચેના પરિવહનના દર (rate of transport) V_Eને વિભવ નીચેના સમીકરણ દ્વારા નિયંત્રિત કરે છે :

જયાં V_E એ વીજભારિત સપાટીથી ઘણા દૂરના અંતરે પ્રવાહીનો વેગ, E વીજક્ષેત્રની તીવ્રતા (વોલ્ટ/સેમી.) અને η પ્રવાહીની સ્નિગ્ધતા (viscosity) છે. વિદ્યુત-નિસ્સરણ ચલનશીલતા (electrophoretic mobilities) માપીને વિભવની ગણતરી કરી શકાય.

દ્રાવણમાં વિદ્યુતવિભાજ્યની સાંદ્રતા વધારવાથી વિભવમાં ઘટાડો થાય છે. વળી સપાટીથી વિરુદ્ધ પ્રકારના ઊંચા ધનભાર ધરાવતાં આયનો (દા. ત., Th⁴⁺) વિભવ ઘટાડી તેની સંજ્ઞા ઉલટાવી શકે છે. પાણી વિક્ષેપણ (dispersion) માધ્યમ તરીકે હોય તેવાં કલિલ દ્રાવણો માટે z વિભવનું મૂલ્ય 0.03થી 0.06 વોલ્ટ સુધીનું માલૂમ પડ્યું છે. વિદ્યુતવિભાજ્યો ઉમેરતાં જ્યારે આ મૂલ્ય 0.02 વોલ્ટથી નીચે જાય ત્યારે કલિલ ઘટ્ટ થાય છે.

જ. દા. તલાટી