DLVO-Theorie

Die DLVO-Theorie (benannt nach Derjaguin, Landau, Verwey, Overbeek) ist eine theoretische Beschreibung, die sich mit der Stabilität kolloidaler Systeme auf der Grundlage von attraktiven und repulsiven, zum Beispiel sterischen, elektrostatischen oder van-der-Waalsschen Wechselwirkungen zwischen den dispergierten Teilchen beschäftigt.

Die Oberflächen der kolloiden Teilchen werden als Kondensatorplatten verstanden, an deren Oberflächen sich in einer Elektrolytlösung elektrochemische Doppelschichten ausbilden. Nähern sich die Teilchen an, so überlappen sich die Doppelschichten. Die daraus resultierenden repulsiven Kräfte haben eine größere Reichweite als die anziehenden Van-der-Waals-Kräfte. Ungeschützte Dispersionen werden so elektrostatisch stabilisiert.

Für zwei Kugeln mit dem Radius a und einer konstanten Oberflächenladung Z bei einem Schwerpunktsabstand r in einem Fluidum mit einer dielektischen Konstante $\epsilon$ und einer Konzentration n an monovalenten Ionen ergibt sich das elektrostatische Potential als die Coulombkraft oder Yukawa-Abstoßung

$\beta U(r) = Z^2 \lambda_B \, \left(\frac{\exp(\kappa a)}{1 + \kappa a}\right)^2 \, \frac{\exp(-\kappa r)}{r},$

mit λ_B als der Bjerrum-Länge, κ ^{− 1} als dem Debye-Hückel Abstand, der definiert ist als κ² = 4πλ_Bn und mit β ^{− 1} = k_BT als thermischer Energie bei der absoluten Temperatur T.

Geschichte

1923 stellten Peter Debye und Erich Hückel zum ersten Mal ihre Theorie zur Beschreibung der Verteilung von Ionenladungen in eine ionischen Lösung vor.^[1] Der grundsätzliche Gedanke, die linearisierte Debye-Hückel-Theorie auf kolloidale Dispersion anzuwenden, kam von Levine und Dube,^[2][3] die herausfanden, dass geladene kolloidale Partikel eine starke Abstoßung bei geringem Abstand und eine schwache Anziehung bei weitem Abstand erfahren. Jedoch konnte diese Theorie nicht erklären, warum kolloidale Dispersionen in Lösungen mit hoher Ionenkonzentration aggregieren. 1941 präsentierten Derjaguin und Landau eine neue Theorie über die Stabilität von kolloidalen Dispersionen, bei der die stark anziehend wirkenden van der Waalschen Kräfte bei geringem Abstand überlagert werden von den elektrostatischen Kräften, die stärker bei großer Distanz wirken.^[4] Sieben Jahre später stellten Verwey und Overbeek^[5] unabhängig von einander eine Lösung vor, wie die Instabilitäten mit so genannten DLVO Theorie beschrieben werden können.^[6]

Herleitung der DLVO-Theorie

Die DLVO-Theorie kombiniert die Kräfte resultierend aus den van-der-Waalsschen Wechselwirkungen und elektrochemische Doppelschicht. Zur Herleitung müssen unterschiedliche Bedingungen und unterschiedliche Gleichungen berücksichtigt werden.^[7] Jedoch kann die Herleitung unter Berücksichtigung einiger recht üblicher Annahmen deutlich vereinfacht werden und einfach über die Kombination von zwei separat hergeleiteten Theorien erstellt werden.

Van-der-Waalssche Anziehung

Van-der-Waals-Kräfte ist der Überbegriff für alle Dipol-Dipol-Wechselwirkungen. Unter der Annahme, dass das Potential zwischen zwei Atomen oder kleinen Molekülen nur anziehend und von der Form w = -C/rⁿ, mit C als eine Konstante für die Interaktionsenergie und n = 6 für die Van-der-Waalschen Kräfte^[8]. Und weiterhin mit der Annahme, dass die Interaktionsenergie zwischen einem Molekül und einer planaren Fläche sich aus der Summe der Interaktionsenergien aller Moleküle aus der Grenzfläche mit dem Molekül ergibt, kann die gesamte Interaktionsenergie für ein Molekül in Abhängigkeit von der Distanz D von der Oberfläche wie folgt angegeben werden

$w(r) = -2 \pi \, C \rho _1\, \int_{z=D}^{z= \infty \,}dz \int_{x=0}^{x=\infty \,}\frac{xdx}{(z^2+x^2)^3} = \frac{2 \pi C \rho _1}{4}\int_D^{\infty }\frac{dz}{z^4} = -\pi C \rho _1/ 6 D^3$

wobei

• w(r) die Interaktionsenergie zwischen dem Molekül und der Oberfläche ist,
• ρ₁ die Dichte der Oberfläche ist,
• z ist der Abstand senkrecht zur Oberfläche. z = 0 ist das Molekül and z = D ist die Oberfläche.
• x ist parallel zur Oberfläche, wobei x = 0 den Schnittpunkt darstellt.

Damit kann die Interaktionsenergie für große Kugeln mit dem Radius R zu einer planaren Fläche wie folgt berechnet werden

$W(D) = -\frac{2 \pi C \rho _1 \rho _2}{12} \int_{z=0}^{z=2R}\frac {(2R-z)zdz}{(D+z)^3} \approx -\frac{ \pi ^2 C \rho _1 \rho _2 R}{6D}$

mit

• W(D) ist die Interaktionsenergie zwischen der Kugel und der planaren Fläche.
• ρ₂ ist die Dichte der Kugel-

Vereinfacht ist die Hamaker Konstante A definiert als

$A=\left(\pi^2C\rho_1\rho_2\right)$

womit sich folgende Gleichung ergibt

$W(D)=-\frac{AR}{6D}$

Mit einer ähnlichen Methode und mit der Derjaguin Approximation^[9] können die Van-der-Waals Wechselwirkungen zwischen Partikel und unterschiedlichen Geometrien wie folgt berechnet werden

Zwei Kugeln: $W(D) = -\frac{A}{6D} \frac{R_1 R_2}{(R_1 +R_2 )}$

Kugel-Fläche: $W(D) = -\frac{AR}{6D}$

Zwei Flächen: $W(D) = -\frac{A}{12 \pi D^2}$

Elektrochemische Doppelschicht

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Dicke der elektrochemischen Doppelschicht herabzusetzen. Zum einen kann die Abschirmung der Oberflächenladung durch Elektrolytzugabe verstärkt und die Schicht dadurch komprimiert werden. Zum anderen kann das Oberflächenpotential durch spezifische Ionenadsorption vermindert werden.

Wird der Teilchenabstand so weit verringert, dass die attraktiven Wechselwirkungen dominant über die Abstoßungskräfte werden, tritt eine Koagulation der Teilchen ein.

Literatur

1. ↑ Peter Debye, Erich Hückel: The theory of electrolytes. I. Lowering of freezing point and related phenomena. In: Physikalische Zeitschrift. 24, 1923, S. 185–206.
2. ↑ S. Levine: Problems of stability in hydrophobic colloidal solutions I. On the interaction of two colloidal metallic particles. General discussion and applications. In: Proceedings of the Royal Society of London A. 170, Nr. 145, 1939, S. 165.
3. ↑ S. Levine, Dube: Interaction between two hydrophobic colloidal particles, using the approximate Debye-Huckel theory. I. General properties. In: Transactions of the Faraday Society. 35, 1940, S. 1125-1141.
4. ↑ B. Derjaguin, L. Landau: Theory of the stability of strongly charged lyophobic sols and of the adhesion of strongly charged particles in solutions of electrolytes. In: Acta Physico Chemica URSS. 14, 1941, S. 633.
5. ↑ E. J. W. Verwey, J. Th. G. Overbeek: Theory of the stability of lyophobic colloids. Elsevier, Amsterdam 1948.
6. ↑ W. B. Russel, D. A. Saville, W. R. Schowalter: Colloidal Dispersions. Cambridge University Press, New York 1989.
7. ↑ M. Elimelech, J. Gregory, X. Jia, R. A. Williams: Particle Deposition and Aggregation Measurement. Modelling and Simulation. Boston 1995.
8. ↑ F. London: Trans Faraday Soc. 33, 1937, S. 8–26.
9. ↑ B. V. Derjaguin: Kolloid Zeits. 69, 1934, S. 155–164.