Ions, atomes et particules chargées

Traduction de l’article « Ions, Atoms and Charged Particles », par Francis S. Key et George Maass, PhD que vous pouvez télécharger au format PDF (en anglais) sur cette page.

L’argent colloïdal s’est avéré très efficace comme agent de lutte contre les bactéries d’après l’étude de Gibbs ⁽¹⁾. Cet article discutera de l’argent colloïdal – sa nature et comment il est produit. La discussion se concentrera spécifiquement sur les formes d’argent que l’on trouve dans les colloïdes d’argent, en particulier les ions d’argent, les particules d’argent et les charges électriques associées à chacun. De nombreux auteurs non scientifiques confondent les ions et les particules chargées et utilisent les termes de manière interchangeable lorsqu’ils décrivent l’argent colloïdal. D’autres se réfèrent aux particules colloïdales comme s’il s’agissait d’atomes uniques d’argent. On a beaucoup écrit sur les particules d’argent ayant une charge positive, ce qui est faux. Il n’est donc pas étonnant que les profanes qui tentent d’en apprendre davantage sur l’argent colloïdal soient induits en erreur et aient du mal à saisir la science impliquée dans le sujet alors qu’une grande partie de ce qu’ils lisent est scientifiquement erroné.

Étant donné que la vraie science impliquée dans la compréhension des suspensions colloïdales nécessite une compréhension des principes sous-jacents, il est important d’avoir une compréhension claire des différences entre les atomes, les ions et les particules chargées.

Qu’est-ce que l’argent colloïdal et pourquoi est-ce important ?

Alors qu’un colloïde peut avoir de nombreuses formes, l’argent colloïdal est un type de colloïde composé de particules solides en suspension dans un liquide. Le solide est constitué de très petites particules d’argent métallique et le liquide est de l’eau.

Les très petites particules dans ce contexte, désignent des particules dont le diamètre est mesuré en nanomètres ^(2). Un colloïde d’argent doit alors avoir des particules d’argent en suspension. L’argent colloïdal contient également une autre forme d’argent appelée ions. La différence entre les solutions, les colloïdes et les suspensions est définie par la taille des particules :

solutions <10^-9 m (moins de 1 nm) colloïdes 10^-9 m à 10^-6 m (1 nm à 1000 nm) suspensions> 10^-6 m (plus de 1000 nm).

Diverses formes d’argent

L’argent colloïdal est généralement produit par électrolyse lorsqu’un courant électrique passe à travers un circuit en série constitué d’une électrode en argent et d’eau désionisée (DI). Le courant peut être du courant alternatif (AC) ou du courant continu (DC). Le flux de courant fait migrer Ag⁰ (métal) et Ag⁺ (ions) de l’électrode dans l’eau DI.

Les processus AC ont tendance à être plus efficaces que DC pour limiter la concentration ionique. On suppose généralement que l’eau s’ionise en H⁺ et OH^–, et que le H⁺, sous la forme de l’ion hydronium, H₃O⁺, migre vers la cathode, où il est réduit en hydrogène gazeux H₂, qui est libéré. Les électrons prélevés sur la cathode sont remplacés à l’anode lorsque le métal Ag entre en solution sous forme d’Ag⁺. Par conséquent, l’argent colloïdal se compose d’argent sous deux formes distinctes, les particules d’argent métallique et les ions. La quantité totale d’argent indiquée comme concentration d’argent (en parties par million) est la somme totale de l’argent contenu dans les particules et de l’argent contenu dans les ions argent. Une mesure précise de la teneur totale en argent nécessite la mesure soit par absorption atomique, soit par émission atomique des atomes d’argent.

Un spectrophotomètre d’absorption atomique (AAS) est généralement utilisé pour des résultats précis. Pour mesurer la concentration d’ions argent par absorption atomique, il faut d’abord éliminer les particules par centrifugation en ne laissant que les ions. Alternativement, une électrode sélective d’ions (ISE) peut être sélectionnée qui ne répond qu’aux ions d’argent en solution. Les mesures ISE sont moins précises que les AAS et sont généralement précises à environ 2%. La concentration de particules d’argent est déterminée en soustrayant la concentration ionique du total de la concentration de particules d’argent.

En règle générale, les ions argent représentent 75 à 99 pour cent de l’argent total tandis que seulement 1 à 25 pour cent de l’argent total sont des particules. Une solution ne contenant que de l’argent ionique et aucune particule n’est pas un colloïde car il n’y a pas de particules d’argent solide en suspension. D’un autre côté, si 100% de l’argent était constitué de particules et qu’aucun ion n’était présent, la solution serait un colloïde pur. Une mesure de la qualité d’un colloïde d’argent est le pourcentage de particules d’argent. Idéalement, toute la teneur en argent serait sous forme de particules sans ions argent.

Les auteurs pensent qu’une représentation plus vraie du contenu d’un produit d’argent colloïdal serait d’indiquer sur l’étiquette la concentration en argent des seules particules d’argent. Une alternative serait d’indiquer quel pourcentage d’argent total est contenu dans les particules et quel pourcentage est ionique.

Atomes d’argent

Un seul atome d’argent peut être considéré comme une particule d’argent métallique de taille atomique. C’est la plus petite taille de matière argentique qui existe. Le diamètre d’un seul atome d’argent est de 0,288 nm. S’il est théoriquement possible d’avoir une particule d’argent métallique constituée d’un seul atome, en pratique, les particules sont beaucoup plus grosses et se composent de nombreux atomes. Juste pour référence, une particule d’un nanomètre de diamètre serait composée de 31 atomes d’argent, et une particule de 5 nm de diamètre aurait environ 3900 atomes tandis qu’une particule de 20 nm de diamètre contiendrait environ 250 000 atomes d’argent. La taille des particules typiquement observée dans l’argent colloïdal a été mesurée dans la plage de 5 à 200 nanomètres. Ces mesures sont effectuées à l’aide d’un spectromètre de corrélation de photons (PCS) qui peut mesurer jusqu’à 1 nm. Dans notre laboratoire, un Malvern Zetasizer 3000HS est utilisé pour effectuer de telles mesures.

Ions d’argent

Un ion argent est un seul atome d’argent à qui il manque un électron de son orbite externe. Le diamètre d’un ion argent est de 0,230 nm, ce qui est légèrement plus petit qu’un atome en raison d’un électron de moins. Ag a la configuration électronique [Kr] 4d¹⁰5s¹. Lorsque Ag – e ? Ag⁺, c’est l’électron 5s¹ qui est perdu. L’électron manquant entraîne une charge positive de l’ion et modifie également les propriétés physiques de manière très spectaculaire. L’argent métallique n’est pas soluble dans l’eau, mais l’argent ionique a une solubilité finie mesurable. Généralement, l’argent est dissous dans un acide tel que l’acide nitrique pour former du nitrate d’argent. Lorsque l’argent est dissous, ce n’est plus de l’argent métallique. Il n’est pas visible même sous le microscope le plus puissant et il ne réfléchit pas la lumière. Même une solution saturée d’ions Ag⁺ n’a pas d’effet Tyndall ⁽³⁾, contrairement à un Ag colloïdal, même à des concentrations aussi faibles que 0,1 ppm. La constante du produit de solubilité, K_sp pour AgOH est de 1,52 x 10^-8, ce qui signifie que, dans une solution neutre, on pourrait avoir 9,2 x 10²² ions Ag par litre sans précipitation.

En résumé, un ion argent est chargé positivement car il lui manque un électron. Un électron a une charge négative. Retirez un électron et l’ion ainsi formé prend une charge positive. La charge attribuée aux ions est une charge ionique et elle est due au gain ou à la perte d’électrons. Ce n’est pas la même chose qu’une particule qui peut avoir une charge. La charge particulaire est due à l’adsorption des espèces chargées. En fait, les particules d’argent trouvées dans l’argent colloïdal sont chargées négativement, pas positivement comme les ions.

Particules chargées

Les particules d’argent qui sont en suspension dans de l’eau pure pour former un colloïde prendront une charge négative appelée potentiel zêta. La plupart des solides développent un potentiel zêta négatif lorsqu’ils sont dispersés dans de l’eau à faible concentration ionique. La charge acquise par les particules est en partie due à l’adsorption des ions dans la solution. La charge de surface donne lieu à une distribution de potentiel autour de la particule : la valeur de ce potentiel au plan de glissement ⁽⁴⁾ est définie comme le potentiel zêta.

Le potentiel zêta des solutions d’argent colloïdal contenant des ions argent sera généralement compris entre –35 et –45 millivolts (mV) selon la teneur en ions. Le potentiel zêta des colloïdes d’argent qui ne contiennent pas d’ions argent aura un potentiel négatif plus élevé d’environ –50 mV. Plus la teneur en ions est élevée, moins le potentiel zêta est négatif puisque la charge positive des ions argent annulera une partie de la charge négative sur les particules.

Les particules ont une charge négative

Dans le cas de l’argent colloïdal, les ions argent présents sont chargés positivement, alors comment les particules d’argent acquièrent-elles une charge négative ? Les ions argent sont créés lors de l’électrolyse qui produit de l’argent colloïdal. La création d’ions argent aurait tendance à rendre la charge nette de la solution positive. Cependant, les solutions ont toujours une charge nette très proche de zéro car la force de Coulomb est extrêmement forte, et même un minuscule déséquilibre de charge crée une tension suffisante pour ioniser tout ce qui se trouve entre les deux et l’annuler. L’ionisation brise la molécule d’eau en hydrogène H⁺ et en ions hydroxyles OH^–, qui sont chargés négativement. La charge négative des ions hydroxyles contre la charge positive des ions argent et maintient une solution dont la charge nette est nulle. Ainsi, les ions hydroxyles négatifs sont créés en même temps que les ions d’argent positifs et les particules d’argent sont créés. Les ions hydroxyle sont des ions non métalliques qui se lient aux atomes des particules d’argent, conférant ainsi leur charge négative aux particules.

L’oxygène a 6 électrons de valence et 2 hydrogènes en ont un chacun, pour un total de 8. Par conséquent, la structure de Lewis ⁽⁵⁾ de H₂O est :

C’est ce qu’on appelle la structure AX₄E₂

(4 nuages d’électrons, 2 paires non partagées). Qui serait pliée, avec un angle de liaison de 107°

L’angle de liaison réel est de 105°, en raison de la répulsion des 2 paires non partagées.

Lorsque H s’ionise comme H⁺, cela laisse l’anion OH^– non métallique ⁽⁶⁾, qui aurait la structure suivante et serait polaire.

Fin négative   Fin positive

Comme dans le cas des sols, lorsque l’anion OH^– s’approche de l’atome Ag, bien que cet atome soit neutre, la première chose qu’il voit est l’électron 5s¹, par conséquent, l’extrémité H, ou positive, de l’anion est attiré vers l’atome, laissant l’extrémité négative collée dans la solution. Ce comportement est bien documenté pour les sols (particules colloïdales sur lesquelles sont adsorbées des particules chargées). La répulsion mutuelle des charges similaires stabilise alors le colloïde en empêchant les particules de s’agglomérer.

Pourquoi les ions argent positifs ne sont-ils pas attirés par les ions hydroxyles négatifs ? La force d’attraction ou de répulsion des charges électriques est inversement proportionnelle à la constante diélectrique du milieu entourant les charges. L’eau a une constante diélectrique très élevée d’environ 80 à température ambiante. Cela signifie que les deux charges électriques opposées dans l’eau s’attirent avec une force de seulement 1/80 de celle dans l’air ou le vide. L’agitation thermique des ions est suffisamment importante pour provoquer la dissociation des ions. Il est courant que des ions de charge opposée coexistent en solution. Par exemple, lorsque le sel est dissous dans l’eau, la solution résultante contient des ions sodium (Na⁺) et des ions chlorure (Cl^–) de charge opposée.

Mesure de la charge des particules (potentiel zêta)

La charge conférée aux particules dispersées dans l’eau est appelée potentiel zêta. Les instruments conçus pour mesurer la valeur du potentiel zêta le font en soumettant l’échantillon à un champ électrique et en observant ensuite le mouvement des particules vers une électrode d’une cellule d’électrophorèse. Le signe de la charge des particules dans le champ électrique détermine la direction du mouvement. Une charge négative sur la particule l’amène à se déplacer vers une électrode positive. Une charge positive sur la particule la ferait se déplacer vers l’électrode négative. La vitesse du mouvement des particules est déterminée par la quantité de charge.

La vitesse de déplacement des particules est mesurée en évaluant le décalage Doppler de la lumière laser diffusée. La vitesse du mouvement des particules est directement liée à sa charge. Le potentiel zêta est calculé à partir de la vitesse. Le potentiel zêta est exprimé en millivolts et se situe généralement entre –70 mV et +70 mV. Lorsque la valeur du potentiel zêta est plus négative que -30 mV, le colloïde est considéré comme stable car les particules ont une répulsion mutuelle suffisante pour assurer la stabilité de la suspension. Un potentiel zêta plus positif que -15 mV indique une suspension au seuil d’agglomération. La coagulation ou la floculation est plus rapide lorsque le potentiel zêta est de 0 mV +/- 3 mV.

Tracé du potentiel zêta de l’argent colloïdal

Conclusion

Les colloïdes d’argent doivent contenir des particules d’argent en suspension et contiennent généralement également des ions d’argent dissous. Les solutions qui ne contiennent que des ions d’argent dissous ne sont pas des colloïdes. Les colloïdes de haute qualité contiennent un pourcentage élevé de particules d’argent. Idéalement, un colloïde d’argent ne contiendrait aucun ion.

Les ions argent sont chargés positivement et les particules d’argent en suspension colloïdale sont chargées négativement. La réduction de la teneur en argent ionique fait que le potentiel zêta devient plus négatif, augmentant la stabilité du colloïde.

Les fabricants de produits en argent colloïdal informeraient plus précisément l’utilisateur en indiquant sur l’étiquette la concentration d’argent (en parties par million) contenue dans les particules. Une alternative serait d’indiquer quel pourcentage de la concentration totale d’argent est contenu dans les particules et quel pourcentage est ionique.

À propos des auteurs

Francis S. Key est le principal scientifique et fondateur du Colloidal Science Laboratory qui mène des recherches sur les colloïdes métalliques. M. Key a fait ses études à l’Université Columbia et au Newark College of Engineering. Il possède une vaste expérience dans les domaines du génie électrique, de l’informatique et de diverses branches de la physique et de l’ingénierie. L’expérience de M. Key dans la recherche scientifique et l’ingénierie s’étend sur une période de plus de 35 ans, à commencer par ses contributions à la conception du matériel de vol spatial utilisé dans les missions spatiales Apollo et Viking. M. Key est connu pour une attention méticuleuse aux détails et des procédures d’enquête implacables, qui ont tous deux conduit à des solutions innovantes aux problèmes de la défense, de l’aérospatiale et de l’industrie privée.

M. Key a soigneusement étudié la production d’argent colloïdal et a construit un laboratoire pour la recherche colloïdale qui est à la fine pointe de la technologie dans ce domaine. Il a également mis en place des méthodes analytiques et développé des procédés de fabrication qui assurent la plus grande pureté et cohérence possible pour un produit colloïdal. Pour contacter M. Key, envoyez un e-mail à: frank@silver-colloids.com

Dr George Maass 

Le Dr George Maass détient des diplômes en chimie de l’Université Fordham et de l’Université d’État de l’Iowa. Depuis 6 ans, le Dr Maass est professeur de chimie au Camden County College, tout en exploitant sa propre entreprise de conseil. Il a rédigé des articles et présenté des séminaires sur son travail aux États-Unis, en Angleterre et au Mexique.

Auparavant, le Dr Maass a eu une carrière réussie de 25 ans dans l’industrie, au cours de laquelle il a appliqué les principes de la physique, de la chimie et des mathématiques pour résoudre divers problèmes industriels, inventé des méthodes de test et développé des équations pour étudier la structure et le comportement des fluides dans les matériaux poreux. Il a inventé et utilisé des modèles mathématiques pour une utilisation dans la technologie prédictive, ainsi que comme consultant dans la conception d’expériences.

Solveur de problèmes reconnu, il a une solide réputation pour sa capacité à déterminer les causes des phénomènes et à décrire les méthodes par lesquelles ils peuvent être contrôlés.

Appendice A

Résumé des propriétés pour l’argent

Notes:      1 Particules – dans ce contexte, une particule est définie comme un groupe d’atomes.

1. Silver Colloids – Do they work? Par Ronald J. Gibbs 1999, ISBN 0-9676992-0-7
2. Nanomètre (nm) – milliardième de mètre. Un nanomètre est l’unité de mesure utilisée pour mesurer la longueur d’onde de la lumière visible. Par exemple, l’épaisseur d’un cheveu humain est de 76 200 nanomètres ou 3 millièmes de pouce.

3. Effet Tyndall – Diffusion de la lumière lorsqu’elle passe à travers un milieu contenant de petites particules.

4. Plan de glissement – Une double couche électrique existe autour de chaque particule. La couche liquide entourant la particule existe en deux parties ; une région interne (couche de Stern) où les ions sont fortement liés et une région externe (diffuse) où ils sont moins fermement associés. À l’intérieur de la couche diffuse se trouve une limite notionnelle connue sous le nom de plan de glissement, à l’intérieur de laquelle la particule agit comme une seule entité.

5. G. N. Lewis – Valence and Structure of Atom and Molecules, Dover Publications, Inc. NY 1966
6. Anion – Un ion chargé négativement, c’est-à-dire un ion qui est attiré vers l’anode lors de l’électrolyse