Поверхностный заряд - Surface charge

Поверхностный заряд - двумерная поверхность с ненулевым электрический заряд. Эти электрические заряды удерживаются на этой двумерной поверхности, и плотность поверхностного заряда, измеряется в кулонах на квадратный метр (К • м⁻²), используется для описания распределения заряда на поверхности. В электрический потенциал является непрерывный через поверхностный заряд и электрическое поле прерывно, но не бесконечно; это если только поверхностный заряд не состоит из дипольного слоя. Для сравнения, потенциал и электрическое поле расходятся при любом точечный заряд или линейный заряд.

В физике в состоянии равновесия идеальный проводник не имеет заряда внутри; вместо этого весь заряд проводника находится на поверхности. Однако это относится только к идеальному случаю бесконечного электрическая проводимость; Большая часть заряда настоящего проводника находится в пределах глубина кожи поверхности проводника. За диэлектрик материалы, при приложении внешнего электрического поля^[1], положительные и отрицательные заряды в материале будут немного двигаться в противоположных направлениях, что приведет к плотность поляризации в основном кузове и связанный заряд на поверхности.

В химии существует множество различных процессов, которые могут привести к заряду поверхности, в том числе: адсорбция ионов, протонирование / депротонирование и, как обсуждалось выше, приложение внешнего электрического поля. Поверхностный заряд излучает электрическое поле, которое вызывает отталкивание и притяжение частиц, влияя на многие коллоидный характеристики.^[2]

Поверхностный заряд практически всегда появляется на поверхности частицы при помещении ее в жидкость. Большинство жидкостей содержат ионы, положительный (катионы ) и отрицательный (анионы ). Эти ионы взаимодействуют с поверхностью объекта. Это взаимодействие может привести к адсорбция некоторых из них на поверхность. Если количество адсорбированных катионов превышает количество адсорбированных анионов, поверхность будет иметь чистый положительный электрический заряд.

Диссоциация поверхности химическая группа еще один возможный механизм, приводящий к поверхностному заряду.

Плотность

Основная статья: Плотность поверхностного заряда

Плотность поверхностного заряда определяется как количество электрический заряд, q, которое присутствует на поверхности данной области, A:^{[3][требуется полная цитата ]}

${\displaystyle \sigma ={\frac {q}{A}}}$

Дирижеры

В соответствии с Закон Гаусса, проводник в состоянии равновесия, по которому проходит приложенный ток, не имеет заряда внутри. Вместо этого весь заряд проводника находится на поверхности и может быть выражен уравнением:

${\displaystyle \sigma =E\epsilon _{0}}$

где E - электрическое поле вызванный зарядом на проводнике и ${\displaystyle \epsilon _{0}}$ - диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Это уравнение является строго точным только для проводников с бесконечно большой площадью, но оно дает хорошее приближение, если E измеряется на поверхности проводника.^[4]

Коллоиды и погруженные предметы

Сложный	Химическая формула	Точка нулевого заряда
оксид вольфрама (VI)	WO3	0.2–0.5[5]
Карбид кремния (альфа)	SiC	2–3.5[6]
оксид марганца (IV)	MnO2	4–5[5]
нитрид кремния	Si3N4	6–7[7]
оксид таллия (I)	Tl2О	8[8]
оксид меди (II)	CuO	9.5[6]
оксид никеля (II)	NiO	10–11[6]

Когда поверхность погружена в раствор, содержащий электролиты, он развивает чистый поверхностный заряд. Часто это происходит из-за ионной адсорбции. Водные растворы повсеместно содержат положительные и отрицательные ионы (катионы и анионы соответственно), которые взаимодействуют с частичные сборы на поверхности, адсорбируя и, таким образом, ионизируя поверхность и создавая чистый поверхностный заряд.^[9] Этот суммарный заряд приводит к появлению поверхностного потенциала [L], который заставляет поверхность окружаться облаком противоионов, которое распространяется от поверхности в раствор, а также обычно приводит к отталкиванию между частицами. Чем больше частичные заряды в материале, тем больше ионов адсорбируется на поверхности и тем больше облако противоионов. Раствор с более высокой концентрацией электролитов также увеличивает размер облака противоионов. Этот слой ионов / противоионов известен как электрический двойной слой.^[10]

PH раствора также может сильно влиять на поверхностный заряд, потому что функциональные группы, присутствующие на поверхности частиц, часто могут содержать кислород или азот, два атома, которые могут быть протонированы или депротонированы, чтобы стать заряженными. Таким образом, с изменением концентрации ионов водорода изменяется и поверхностный заряд частиц. При определенном pH средний заряд поверхности будет равен нулю; это известно как точка нулевого заряда (PZC).^[2] Список распространенных веществ и связанных с ними PZC показан справа.

Межфазный потенциал

Граница раздела определяется как общая граница, образованная между двумя разными фазами, например, между твердым телом и газом.^[2] Электрический потенциал, или заряд, является результатом способности объекта перемещаться в электрическом поле. Таким образом, межфазный потенциал определяется как заряд, расположенный на общей границе между двумя фазами (например, аминокислота, такая как глутамат на поверхности белка может депротонироваться карбоновая кислота боковой цепи в средах с pH более 4,1 для образования заряженной аминокислоты на поверхности, которая создала бы межфазный потенциал). Межфазный потенциал отвечает за образование двойного электрического слоя, который имеет широкий спектр применения в том, что называется электрокинетические явления. Ниже описывается развитие теории двойного электрического слоя.

Гельмгольца

Модель, получившая название «двойной электрический слой», была впервые представлена Герман фон Гельмгольц. Предполагается, что раствор состоит только из электролитов, рядом с электродом не происходит никаких реакций, которые могли бы переносить электроны, и что единственный Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия находятся между ионами в растворе и электродом. Эти взаимодействия возникают только из-за плотности заряда, связанной с электродом, которая возникает из-за избытка или недостатка электронов на поверхности электрода. Чтобы поддерживать электрическую нейтральность, заряд электрода уравновешивается перераспределением ионов вблизи его поверхности. Таким образом, притянутые ионы образуют слой, уравновешивающий заряд электрода. Ближайшее расстояние, на которое ион может подойти к электроду, будет ограничено радиусом иона плюс единственная сольватационная сфера вокруг отдельного иона. В целом наблюдаются два слоя заряда и падение потенциала от электрода к краю внешнего слоя (внешняя плоскость Гельмгольца). С учетом вышеприведенного описания модель Гельмгольца по своей природе эквивалентна модели электрический конденсатор с двумя отдельными пластинами заряда, для которых наблюдается линейное падение потенциала по мере увеличения расстояния от пластин.
Модель Гельмгольца, являясь хорошей основой для описания границы раздела, не принимает во внимание несколько важных факторов: диффузию / перемешивание в растворе, возможность адсорбции на поверхности и взаимодействие между дипольными моментами растворителя и электродом.^[11]

Гуи-Чепмен

Несколько слоев отрицательного заряда накапливаются возле положительно заряженной поверхности, образуя двойной слой.

Теория Гуи-Чепмена описывает влияние статического заряда поверхности на потенциал поверхности.^[12] "Гуи предположил, что межфазный потенциал на заряженной поверхности можно отнести к наличию ряда ионов с заданным зарядом, прикрепленных к ее поверхности, и к равному количеству ионов противоположного заряда в растворе ».^[13] Положительный поверхностный заряд образует двойной слой, поскольку отрицательные ионы в растворе стремятся уравновесить положительный поверхностный заряд. Противоионы не удерживаются жестко, но имеют тенденцию диффундировать в жидкую фазу до тех пор, пока противоионы, возникающие при их выходе, не ограничивают эту тенденцию. Кинетическая энергия противоионов будет частично влиять на толщину образующегося двойного диффузного слоя. Связь между C, концентрацией противоионов на поверхности и ${\displaystyle C_{o}}$, концентрация противоиона во внешнем растворе, - фактор Больцмана:

${\displaystyle C=C_{0}e^{-({\frac {\psi ze}{kT}})}}$

Где z - заряд иона, e - заряд протона, k - Постоянная Больцмана ψ - потенциал заряженной поверхности.

Однако это неточно близко к поверхности, поскольку предполагает, что молярная концентрация равна активности. Также предполагается, что ионы моделировались точечными зарядами и позже были модифицированы. Усовершенствование этой теории, известное как модифицированная теория Гуи-Чепмена, включало конечный размер ионов по отношению к их взаимодействию с поверхностью в виде плоскости наибольшего сближения.^[14]

Поверхностный потенциал

Связь между поверхностным зарядом и поверхностным потенциалом может быть выражена уравнением Грэхема, полученным из теории Гуи-Чепмена, предполагая условие электронейтральности, которое гласит, что полный заряд двойного слоя должен быть равен отрицательному заряду поверхности. Использование одномерного Уравнение Пуассона и предполагая, что на бесконечно большом расстоянии потенциальный градиент равно 0, получается уравнение Грэхема:^[2]

${\displaystyle \sigma ={\sqrt {8c_{0}\epsilon \epsilon _{0}k_{B}N_{a}T}}\sinh \left({\frac {ze\psi _{0}}{2k_{B}T}}\right)}$

В случае более низких потенциалов ${\displaystyle \sinh(x)}$ можно расширить до ${\displaystyle \sinh(x)}$ = ${\displaystyle x+x^{3}/3!+...}$ ${\displaystyle \approx }$ ${\displaystyle x}$, и ${\displaystyle \lambda _{D}}$ определяется как Длина Дебая. Это приводит к простому выражению:

${\displaystyle \sigma ={\frac {\epsilon \epsilon _{0}\psi _{0}}{\lambda _{D}}}}$

Упрощенное наложение нескольких слоев ионов и электрического потенциала с увеличением длины Дебая. Первый слой поглощенных ионов называется внутренней плоскостью Гельмгольца. Далее идет слой неспецифически абсорбированных гидратированных противоионов, которые представляют собой внешнюю плоскость Гельмгольца.^[2]

Штерн

В Отто Стерн Модель двойного слоя по существу представляет собой комбинацию теорий Гельмгольца и Гуи-Чепмена. Его теория утверждает, что ионы действительно имеют конечный размер, поэтому не могут приближаться к поверхности ближе, чем на несколько нанометров. Через расстояние, известное как слой Штерна, ионы могут адсорбироваться на поверхность до точки, называемой плоскостью скольжения, где адсорбированные ионы встречаются с объемной жидкостью. В плоскости скольжения потенциал Ψ ​​уменьшился до так называемого дзета-потенциал. Хотя дзета-потенциал является промежуточным значением, иногда его считают более значительным, чем поверхностный потенциал, когда дело касается электростатического отталкивания.^[2]

Приложения

Заряженные поверхности чрезвычайно важны и используются во многих приложениях. Например, растворы крупных коллоидных частиц почти полностью зависят от отталкивания из-за поверхностного заряда, чтобы оставаться диспергированными.^[15] Если бы эти силы отталкивания были нарушены, возможно, добавлением соли или полимера, коллоидные частицы больше не смогли бы выдерживать суспензию и впоследствии флокулировать.^[16]

Электрокинетические явления

Схема, изображающая электроосмос через стеклянный капилляр, погруженный в водный раствор.

Электрокинетические явления относится к различным эффектам, возникающим в результате двойной электрический слой. Примечательным примером является электрофорез, где заряженная частица, взвешенная в среде, будет двигаться под действием приложенного электрического поля.^[17] Электрофорез широко используется в биохимии для различения молекул, таких как белки, по размеру и заряду. Другие примеры включают электроосмос, седиментационный потенциал, и Потоковый потенциал.^[2]

Белки

Белки на их поверхности часто присутствуют группы, которые могут быть ионизированы или деионизированы в зависимости от pH, что позволяет относительно легко изменить поверхностный заряд белка. Это имеет особенно важные последствия для активности белков, которые функционируют как ферменты или мембранные каналы, главным образом, что белок активный сайт должен иметь правильный поверхностный заряд, чтобы иметь возможность связывать конкретный субстрат.^[18]

Клеи / покрытия

Заряженные поверхности часто полезны для создания поверхностей, которые не будут адсорбировать определенные молекулы (например, чтобы предотвратить адсорбцию основных белков, следует использовать положительно заряженную поверхность). Полимеры очень полезны в этом отношении, поскольку они могут быть функционализированы так, чтобы они содержали ионизируемые группы, которые служат для обеспечения поверхностного заряда при погружении в водный раствор.^[19]

Рекомендации

1. «Диэлектрическая поляризация, связанные заряды и поле электрического смещения» (PDF).
2. Ханс-Юрген, Батт; Граф, Карлхайнц; Каппл, Майкл (2006). Физика и химия интерфейсов. Германия: Wiley-VCH. С. 45, 55, 56, 76–82. ISBN  978-3-527-40629-6.
3. Вайсштейн, Отсутствует или пусто | название = (помощь)
4. Нейв, Карл Р. (2010). «Гауссовы поверхности». Государственный университет Джорджии. Получено 27 апреля 2011.
5. Космульский, Марек (2001), Химические свойства поверхностей материалов, Марсель Деккер
6. Льюис, Дж. А. (2000). «Коллоидная обработка керамики». Журнал Американского керамического общества. 83 (10): 2341–2359. CiteSeerX  10.1.1.514.1543. Дои:10.1111 / j.1151-2916.2000.tb01560.x.
7. Жоливе Дж. П. (2000), Химия и синтез оксидов металлов. От раствора к твердому состоянию, John Wiley & Sons Ltd., ISBN  0-471-97056-5(Английский перевод оригинального французского текста, De la solution à l'oxyde InterEditions et CNRS Editions, Париж, 1994 г.)
8. Космульский, М; Санелута, К. (2004). «Точка нулевого заряда / изоэлектрическая точка экзотических оксидов: Tl2O3». Журнал коллоидной и интерфейсной науки. 280 (2): 544–545. Bibcode:2004JCIS..280..544K. Дои:10.1016 / j.jcis.2004.08.079. PMID  15533430.
9. «Истоки поверхностного заряда». Серебряные коллоиды. 2010 г.. Получено 27 апреля 2011.
10. «Двойной электрический слой». Серебряные коллоиды. 2010 г.. Получено 27 апреля 2011.
11. «Двойной электрический слой». 2011. Архивировано с оригинал 31 мая 2011 г.. Получено 27 апреля 2011.
12. Эренштейн, Джеральд (200). «Поверхностный заряд» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 28 сентября 2011 г.. Получено 30 мая 2011.
13. Смирнов, Джеральд (2011). «Двойной бислой». Получено 30 мая 2011.
14. Грейтхаус, Джеффри А .; Feller, Scott E .; Маккуорри, Дональд А. (1994). «Модифицированная теория Гуи-Чепмена: Сравнение моделей двойного электрического слоя набухания глины». Langmuir. 10 (7): 2125. Дои:10.1021 / la00019a018.
15. «Измерение дзета-потенциала». Brookhaven Instruments Ltd. 2007. Архивировано с оригинал 19 июля 2003 г.. Получено 16 апреля 2011.
16. Хуббе, Мартин (2007). «Флокуляция коллоидов или суспензий волокон». Университет штата Северная Каролина. Получено 16 апреля 2011.
17. «Глава 4: Электрофорез - Введение». Д-р Уильям Х. Хейдкамп, биологический факультет, колледж Густава Адольфа. 1995 г.. Получено 30 мая 2011.
18. Эскобар, Лаура; Рут, Майкл Дж .; Маккиннон, Роберт (июль 1993 г.). «Влияние заряда поверхности белка на бимолекулярную кинетику пептидного ингибитора калиевого канала». Биохимия. 32 (27): 6982–6987. Дои:10.1021 / bi00078a024. PMID  7687466.
19. Хазельберг, Роб; ван дер Снеппен, Линеке; Ариезе, Фрик; Убахс, Вим; Gooijer, Cees; де Йонг, Герхардус Дж .; Сомсен, Говерт В. (18 ноября 2009 г.). «Эффективность заряженных нековалентных полимерных покрытий против адсорбции белка на поверхности диоксида кремния, изученная с помощью кольцевой спектроскопии с затухающей волной резонатора и капиллярного электрофореза». Аналитическая химия. 81 (24): 10172–10178. Дои:10.1021 / ac902128n. PMID  19921852.