表面電荷

表面電荷即在界面處存在的電荷。有很多過程可以使表面帶電,比如離子吸附、質子化去質子化、表面的化學基團發生電離、外加電場。表面電荷會產生電場,使粒子之間有排斥或吸引的相互作用,這是很多膠體性質的成因。[1]

物體處於流體中一般都會帶上電荷。幾乎所有的流體都會含有離子,包括正離子(陽離子)和負離子(陰離子),離子與表面會有相互作用,導致有離子吸附到物體表面。

另外一個表面電荷的機制是,表面的化學基團發生電離

表面電荷密度

表面電荷密度定義為電荷數目, q,與表面的面積, A,之比:[2]

 

導體

根據高斯定律,處於靜電平衡下的導體,內部沒有電荷,只在導體表面有電荷分佈,表面電荷密度為

 

其中, 為導體的電荷產生的電場, 為真空介電常數。該關係只對無限大導體表面成立,或距導體無限小處成立。[3]

膠體

化合物 化學式 零電荷點
三氧化鎢 WO3 0.2-0.5[4]
碳化矽 (alpha) SiC 2-3.5[5]
二氧化錳 MnO2 4-5[4]
氮化矽 Si3N4 6-7[6]
一氧化二鉈 Tl2O 8[7]
氧化銅 CuO 9.5[5]
一氧化鎳 NiO 10-11[5]

浸於電解質溶液中的表面往往帶有電荷,常見的機制是離子吸附。[8] 帶電表面附近會有反離子富集,形成所謂雙電層結構。[9]

表面的化學基團如果含氧原子或氮原子,在水溶液中可能發生質子化或去質子化,使表面帶上電荷,此時,表面帶電受溶液中pH值的影響。在某一pH值時,表面靜電荷為零,這一pH值叫做零電荷點(point of zero charge,PZC)。一些常見物質的零電荷點列於左邊表格中。

界面電勢

界面是兩相(比如固體和液體)的邊界。[1] 界面電勢就是界面上的電荷的電勢。比如蛋白質表面的一些氨基酸,比如穀氨酸在pH值大於4.1時會發生顯著電離,使蛋白質帶上電荷,因此會造成界面電勢。界面電勢可以解釋雙電層的形成,在動電現象英語Electrokinetic phenomena研究中也是一個非常有用的概念。下面簡要描述雙電層的理論。

亥姆霍茲模型

雙電層模型是赫爾曼·馮·亥姆霍茲最早引入的。亥姆霍茲模型假設,溶液中只有電解質,電極附近沒有化學反應,離子與電極之間只有靜電相互作用,因為電極上帶有電荷。為了使界面呈電中性,要求電極表面附近,離子有特別的分佈,形成一層電荷,中和電極表面上的電荷。離子與電極之間的距離,最小為離子的半徑加上離子的溶劑化球半徑。即亥姆霍茲模型等價於一平面電容器,兩平面之間電勢與二者間距呈線性關係。

亥姆霍茲模型是描述帶電界面的基礎,有幾個重要因素沒有考慮:離子的擴散與混合、離子可能的吸附、溶劑偶極矩與電極之間的相互作用。 [10]

古依-恰普曼模型

古依-恰普曼理論描述了靜態表面電荷對表面電勢的影響。[11] 古依認為,帶電表面的界面電勢由表面上的電荷及溶液中等量的反離子來確定。[12] 反離子不是僅僅束縛在帶電表面上,而是在表面附近呈一彌散的分佈。反離子濃度, ,滿足如下關係:

 

 為反離子在電勢為零處的濃度, z 為離子的離子價, e 為一個質子的電量, k 為 波耳茲曼常數, ψ 為表面附近溶液中的電勢分佈。

古依-恰普曼理論缺陷在於,假設摩爾濃度與活度相等,並假設離子為點電荷。

表面電荷與表面電勢

表面電荷與表面電勢由格雷厄姆方程給出:[1]

 

其中, 為表面電荷密度。

在高溫極限下,  可以展開成   =       德拜長度,於是,得

 

施特恩模型

施特恩模型本質上是亥姆霍茲模型和古依-恰普曼模型的結合。施特恩模型里,離子有一定大小,不能無限靠近帶電表面,間距至少為納米量級。距離帶電表面最近一層離子稱為施特恩層。離子分佈受帶電表面影響的最大距離處為滑動面,在滑動面以外,為本體溶液。滑動面處電勢叫做界達電位,它在物理上比表面電勢更有意義。[1]

應用

帶電表面極其重要,有着廣泛的應用。比如,溶液中膠體要保持分散狀態完全依賴於膠體之間的排斥相互作用。[13]如果排斥力被減弱,比如加入鹽或高分子鏈,膠體粒子可能不會保持懸浮,會發生絮凝[14]

動電現象

動電現象指雙電層造成的各種效應,一個突出的例子是電泳,懸浮在介質中的帶電粒子在外加電場驅動下運動。[15] 電泳廣泛用於生物化學中,根據分子的大小和電荷區分分子,比如蛋白質。其他例子包括電滲流沉降電勢英語sedimentation potential流動電勢英語Streaming potential[1]

蛋白質

蛋白質是帶電的生物分子,帶電情況對溶液中pH值非常敏感。酶蛋白和跨膜蛋白的活性依賴於帶電情況,蛋白質活性位點必須有合適的表面電荷,才能與具體基底結合。 [16]

粘合劑/塗料

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 Hans-Jurgen, Butt; Graf, Karlheinz; Kappl, Michael. Physics and chemistry of interfaces. Germany: Wiley-VCH. 2006: 45, 55, 56, 76–82. ISBN 978-3-527-40629-6. 
  2. ^ Weisstein,   缺少或|title=為空 (幫助)
  3. ^ Nave, Carl R. Gaussian surfaces. Georgia State University. 2010 [27 April 2011]. (原始內容存檔於2021-04-29). 
  4. ^ 4.0 4.1 Marek Kosmulski, "Chemical properties of material surfaces", Marcel Dekker, 2001. Retrieved 30 May 2011
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 Lewis, JA (2000). 'Colloidal processing of ceramics', Journal of the American Ceramic Society vol. 83, no. 10, pp.2341-2359. Retrieved 30 May 2011
  6. ^ Jolivet J.P., Metal oxide chemistry and synthesis. From solution to solid state, John Wiley & Sons Ltd. 2000,ISBN 0-471-97056-5 (English translation of the original French text, De la solution à l'oxyde, InterEditions et CNRS Editions, Paris, 1994). Retrieved 30 May 2011
  7. ^ Kosmulski M and Saneluta C (2004). 'Point of zero charge/isoelectric point of exotic oxides: Tl2O3', Journal of Colloid and Interface Science vol. 280, no. 2, pp. 544-545. Retrieved 30 May 2011
  8. ^ Origins of surface charge. Silver Colloids. 2010 [27 April 2011]. (原始內容存檔於2019-10-28). 
  9. ^ The electric double layer. Silver Colloids. 2010 [27 April 2011]. (原始內容存檔於2019-09-11). 
  10. ^ The electrical double layer. 2011 [27 April 2011]. (原始內容存檔於2011年5月31日). 
  11. ^ Ehrenstein, Gerald. Surface charge (PDF). 200 [30 May 2011]. (原始內容 (PDF)存檔於2011年9月28日). 
  12. ^ SMIRNOV, Gerald. Double bilayer. 2011 [30 May 2011]. (原始內容存檔於2021-04-21). 
  13. ^ Zeta potential measurement. Brookhaven Instruments Ltd. 2007 [16 Apr 2011]. (原始內容存檔於2003-07-19). 
  14. ^ Hubbe, Martin. Flocculation of colloids or of fiber slurries. North Carolina State University. 2007 [16 Apr 2011]. (原始內容存檔於2018-04-25). 
  15. ^ Chapter 4: Electrophoresis - Introduction. Dr. William H. Heidcamp, Biology Department, Gustavus Adolphus College. 1995 [30 May 2011]. (原始內容存檔於2013-09-02). 
  16. ^ Escobar, Laura; Root, Michael J.; MacKinnon, Robert. Influence of protein surface charge on the bimolecular kinetics of a potassium channel peptide inhibitor. Biochemistry. July 1993, 32 (27): 6982–6987 [16 April 2011]. PMID 7687466. doi:10.1021/bi00078a024.  http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/bi00078a024