Поверхностный заряд

Поверхностный заряд - это двумерная поверхность с ненулевым электрическим зарядом . Эти электрические заряды ограничены этой двумерной поверхностью, и плотность поверхностного заряда , измеряемая в кулонах на квадратный метр (Кл • м ^-2 ), используется для описания распределения заряда на поверхности. Электрический потенциал является непрерывным по всей поверхности заряда и электрическое поле является прерывистым, но не бесконечно; это если только поверхностный заряд не состоит из дипольного слоя. Для сравнения, потенциал и электрическое поле расходятся при любом точечном или линейном заряде.

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 бесконечной электропроводности ; Большая часть заряда реального проводника находится в глубине скин-слоя на поверхности проводника. Для диэлектрических материалов при приложении внешнего электрического поля ^[1] положительные и отрицательные заряды в материале будут немного двигаться в противоположных направлениях, что приведет к плотности поляризации в массивном теле и связанному заряду на поверхности.

В химии существует множество различных процессов, которые могут привести к заряду поверхности, включая адсорбцию 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 коллоидные свойства. ^[2]

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

Диссоциация поверхностной химической группы - еще один возможный механизм, приводящий к поверхностному заряду.

Плотность [ править ]

Плотность поверхностного заряда определяется как количество электрического заряда q, который присутствует на поверхности данной области, A: ^{[3] [ требуется полная ссылка ]}

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

Дирижеры [ править ]

Согласно закону 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, вызванное зарядом на проводнике, и - диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Это уравнение является строго точным только для проводников с бесконечно большой площадью, но оно обеспечивает хорошее приближение, если E измеряется на бесконечно малом евклидовом расстоянии от поверхности проводника. ^[4]${\displaystyle \epsilon _{0}}$

Коллоиды и погруженные объекты [ править ]

Когда поверхность погружается в раствор, содержащий электролиты , на ней возникает чистый поверхностный заряд. Часто это происходит из-за ионной адсорбции. Водные растворы обычно содержат положительные и отрицательные ионы ( катионы и анионы соответственно), которые взаимодействуют с частичными зарядами на поверхности, адсорбируются и, таким образом, ионизируют поверхность и создают общий 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 двойной электрический слой . ^[10]

PH раствора также может сильно влиять на поверхностный заряд, поскольку 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 меняется 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 [ править ]

Граница раздела определяется как общая граница, образованная между двумя разными фазами, например, между твердым телом и газом. ^[2] Электрический потенциал или заряд - это результат 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 депротонировать карбоновую кислоту боковой цепи в средах с pH более 4,1, чтобы произвести заряженная аминокислота на поверхности, которая создала бы межфазный потенциал). Межфазный потенциал отвечает за образование двойного электрического слоя, который имеет широкий спектр применения в том, что называетсяэлектрокинетические явления . Ниже описывается развитие теории двойного электрического слоя.

Гельмгольц [ править ]

Модель, получившая название «двойной электрический слой», была впервые представлена Германом фон Гельмгольцем . Предполагается, что раствор состоит только из электролитов, рядом с электродом не происходит никаких реакций, которые могли бы переносить электроны, и что единственные ван-дер-ваальсовы взаимодействиянаходятся между ионами в растворе и электродом. Эти взаимодействия возникают только из-за плотности заряда, связанной с электродом, которая возникает либо из-за избытка, либо из-за 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). Учитывая приведенное выше описание, модель Гельмгольца по своей природе эквивалентна электрическому конденсатору.с двумя отдельными пластинами заряда, для которых наблюдается линейное падение потенциала по мере удаления от пластин.
Модель Гельмгольца, хотя и является хорошей основой для описания границы раздела, не учитывает несколько важных факторов: диффузия / перемешивание в растворе, возможность адсорбции на поверхности и взаимодействие между дипольными моментами растворителя и электродом. ^[11]

Гуи-Чепмен [ править ]

Теория Гуи-Чепмена описывает эффект 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, а стремятся 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 диффузного двойного слоя. Связь между C, концентрацией противоионов на поверхности и концентрацией противоионов во внешнем растворе, представляет собой фактор Больцмана:${\displaystyle C_{o}}$

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

Где z - заряд иона, e - заряд протона, k - постоянная Больцмана, а 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 форме плоскости наибольшего сближения. ^[14]

Поверхностный потенциал [ править ]

Связь между поверхностным зарядом и поверхностным потенциалом может быть выражена уравнением Грэхема, полученным из теории Гуи-Чепмена, путем принятия условия электронейтральности, которое гласит, что полный заряд двойного слоя должен быть равен отрицательному заряду поверхности. Используя одномерное уравнение Пуассона и предполагая, что на бесконечно большом расстоянии градиент потенциала равен 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 можно разложить до = и определяется как длина Дебая . Это приводит к простому выражению:${\displaystyle \sinh(x)}$${\displaystyle \sinh(x)}$${\displaystyle x+x^{3}/3!+...}$ ${\displaystyle \approx }$ ${\displaystyle x}$${\displaystyle \lambda _{D}}$

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

Стерн [ править ]

Отто Штерн модель двойного слоя, по существу , комбинация Гельмгольца и Гуи-Чепмена теорий. 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-потенциала . Хотя дзета-потенциал является промежуточным значением, иногда его считают более значительным, чем поверхностный потенциал, когда речь идет об электростатическом отталкивании. ^[2]

Приложения [ править ]

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 флокулировали . ^[16]

Электрокинетические явления [ править ]

Электрокинетические явления относятся к различным эффектам, возникающим в результате двойного электрического слоя . Заслуживающий внимания пример - электрофорез , когда заряженная частица, взвешенная в среде, будет двигаться в результате приложенного электрического поля. ^[17] Электрофорез широко используется в биохимии для различения молекул, таких как белки, по размеру и заряду. Другие примеры включают в себя электроосмос , оседания потенциал и потенциал течения . ^[2]

Белки [ править ]

Белки часто имеют группы, присутствующие на их поверхности, 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, в основном то, что активный сайт белка должен иметь правильный поверхностный заряд, чтобы иметь возможность связываться с конкретным субстратом. ^[18]

Клеи / покрытия [ править ]

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

Ссылки [ править ]