Поверхностный заряд

Электрические заряды, присутствующие на поверхности твердого тела

Поверхностный заряд — это электрический заряд, присутствующий на двумерной поверхности. Эти электрические заряды ограничены на этой двумерной поверхности, а поверхностная плотность заряда , измеряемая в кулонах на квадратный метр (Кл•м ⁻² ), используется для описания распределения заряда на поверхности. Электрический потенциал непрерывен по поверхностному заряду, а электрическое поле прерывисто , но не бесконечно; это происходит, если только поверхностный заряд не состоит из дипольного слоя. Для сравнения, потенциал и электрическое поле расходятся в любом точечном заряде или линейном заряде.

В физике , в состоянии равновесия, идеальный проводник не имеет заряда внутри; вместо этого весь заряд проводника находится на поверхности. Однако это применимо только к идеальному случаю бесконечной электропроводности ; большая часть заряда реального проводника находится в глубине скин-слоя поверхности проводника. Для диэлектрических материалов, при приложении внешнего электрического поля, ^[1] положительные заряды и отрицательные заряды в материале будут слегка перемещаться в противоположных направлениях, что приведет к плотности поляризации в объеме тела и связанному заряду на поверхности.

В химии существует множество различных процессов, которые могут привести к тому, что поверхность будет заряжена, включая адсорбцию ионов, протонирование или депротонирование , и, как обсуждалось выше, приложение внешнего электрического поля. Поверхностный заряд испускает электрическое поле, которое вызывает отталкивание и притяжение частиц, влияя на многие коллоидные свойства. ^[2]

Поверхностный заряд практически всегда появляется на поверхности частицы , когда она помещается 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 поверхность. Если число адсорбированных катионов превышает число адсорбированных анионов, поверхность будет иметь чистый положительный электрический заряд.

Другим возможным механизмом, приводящим к возникновению поверхностного заряда, является диссоциация поверхностной химической группы .

Плотность

Плотность поверхностного заряда определяется как количество электрического заряда , q, присутствующего на поверхности заданной площади, A : ^{[3] [ необходима полная цитата ]} $${\displaystyle \sigma ={\frac {q}{A}}}$$

Дирижеры

Согласно закону Гаусса , проводник в состоянии равновесия, несущий приложенный ток, не имеет заряда внутри. Вместо этого весь заряд проводника находится на поверхности и может быть выражен уравнением: где E — электрическое поле , вызванное зарядом на проводнике, а — диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Это уравнение строго точно только для проводников с бесконечно большой площадью, но оно обеспечивает хорошее приближение, если E измеряется на бесконечно малом евклидовом расстоянии от поверхности проводника. ^[4] $${\displaystyle \sigma =E\varepsilon _{0}}$$ ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$

Коллоиды и погруженные объекты

Когда поверхность погружается в раствор, содержащий электролиты , она развивает чистый поверхностный заряд. Это часто происходит из-за ионной адсорбции. Водные растворы повсеместно содержат положительные и отрицательные ионы ( катионы и анионы соответственно), которые взаимодействуют с частичными зарядами на поверхности, адсорбируясь и, таким образом, ионизируя поверхность и создавая чистый поверхностный заряд. ^[9] Этот чистый заряд приводит к поверхностному потенциалу [L], который заставляет поверхность быть окруженной облаком противоионов, которое простирается 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, по мере изменения концентрации ионов водорода изменяется и поверхностный заряд частиц. При определенном pH средний поверхностный заряд будет равен нулю; это известно как точка нулевого заряда (PZC). ^[2] Список распространенных веществ и связанных с ними PZC показан справа.

Потенциал на границе раздела фаз

Интерфейс определяется как общая граница, образованная между двумя различными фазами, например, между твердым телом и газом. ^[2] Электрический потенциал , или заряд, является результатом способности объекта перемещаться в электрическом поле. Таким образом, интерфейсный потенциал определяется как заряд, расположенный на общей границе между двумя фазами (например, аминокислота, такая как глутамат на поверхности белка, может иметь свою боковую цепь карбоновой кислоты, депротонированную в средах с pH выше 4,1, чтобы произвести заряженную аминокислоту на поверхности, что создаст интерфейсный потенциал). Интерфейсный потенциал отвечает за образование двойного электрического слоя, который имеет широкий спектр применения в том, что называется электрокинетическими явлениями . Развитие теории двойного электрического слоя описано ниже.

Гельмгольц

Модель, названная «двойным электрическим слоем», была впервые введена Германом фон Гельмгольцем . Она предполагает, что раствор состоит только из электролитов, вблизи электрода не происходит никаких реакций, которые могли бы переносить электроны, и что между ионами в растворе и электродом присутствуют только взаимодействия Ван-дер-Ваальса . 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. Для поддержания электрической нейтральности заряд электрода будет уравновешиваться 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 одна сольватная сфера вокруг отдельного иона. В целом наблюдаются два слоя заряда и падение потенциала от электрода до края внешнего слоя (внешняя плоскость Гельмгольца). Учитывая вышеизложенное описание, модель Гельмгольца по своей природе эквивалентна электрическому конденсатору с двумя разделенными пластинами заряда, для которого наблюдается линейное падение потенциала при увеличении расстояния от пластин.
Модель Гельмгольца, хотя и является хорошей основой для описания интерфейса, не учитывает несколько важных факторов: диффузию/смешивание в растворе, возможность адсорбции на поверхности и взаимодействие между дипольными моментами растворителя и электрода. ^[11]

Гуи-Чапман

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

Теория Гуи-Чепмена описывает влияние статического поверхностного заряда на потенциал поверхности. ^[12] « Гуи предположил, что интерфейсный потенциал на заряженной поверхности может быть приписан присутствию некоторого количества ионов заданного заряда, прикрепленных к ее поверхности, и равному количеству ионов противоположного заряда в растворе». ^[13] Положительный поверхностный заряд будет образовывать двойной слой, поскольку отрицательные ионы в растворе имеют тенденцию уравновешивать положительный поверхностный заряд. Противоионы не удерживаются жестко, а имеют тенденцию диффундировать в жидкую фазу до тех пор, пока противопотенциал, созданный их уходом, не ограничит эту тенденцию. Кинетическая энергия противоионов будет, в частности, влиять на толщину результирующего диффузного двойного слоя. Соотношение между C, концентрацией противоионов на поверхности, и , концентрацией противоионов во внешнем растворе, является фактором Больцмана: где z — заряд иона, e — заряд протона, k _B — постоянная Больцмана , а ψ — потенциал заряженной поверхности. ${\displaystyle C_{o}}$ $${\displaystyle C=C_{0}e^{-{\frac {\psi ze}{k_{\mathrm {B} }T}}}}$$

Однако это неточно вблизи поверхности, поскольку предполагает, что молярная концентрация равна активности. Также предполагается, что ионы были смоделированы как точечные заряды и позднее были модифицированы. Улучшение этой теории, известное как модифицированная теория Гуи-Чепмена, включало конечный размер ионов относительно их взаимодействия с поверхностью в форме плоскости наибольшего сближения. ^[14]

Поверхностный потенциал

Связь между поверхностным зарядом и поверхностным потенциалом может быть выражена уравнением Грэма, выведенным из теории Гуи-Чепмена путем предположения условия электронейтральности, которое гласит, что общий заряд двойного слоя должен быть равен отрицательному значению поверхностного заряда. Используя одномерное уравнение Пуассона и предполагая, что на бесконечно большом расстоянии градиент потенциала равен 0, получаем уравнение Грэма: ^[2] $${\displaystyle \sigma ={\sqrt {8c_{0}\varepsilon \varepsilon _{0}k_{\mathrm {B} }N_{a}T}}\sinh \left({\frac {ze\psi _{0}}{2k_{\mathrm {B} }T}}\right)}$$

Для случая более низких потенциалов можно расширить до , и определить как длину Дебая . Что приводит к простому выражению: ${\displaystyle \sinh(x)}$ ${\displaystyle \sinh(x)=x+x^{3}/3!+\cdots }$ ${\displaystyle \approx }$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle \lambda _{D}}$ $${\displaystyle \sigma ={\frac {\varepsilon \varepsilon _{0}\psi _{0}}{\lambda _{D}}}}$$

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

Стерн

Модель двойного слоя Отто Штерна по сути является комбинацией теорий Гельмгольца и Гуи-Чепмена. Его теория утверждает, что ионы имеют конечный размер, поэтому не могут приблизиться к поверхности ближе, чем на несколько нанометров. Через расстояние, известное как слой Штерна, ионы могут адсорбироваться на поверхности до точки, называемой плоскостью скольжения, где адсорбированные ионы встречаются с основной жидкостью. На плоскости скольжения потенциал Ψ ​​уменьшается до того, что известно как дзета-потенциал . Хотя дзета-потенциал является промежуточным значением, его иногда считают более значимым, чем поверхностный потенциал, если речь идет об электростатическом отталкивании. ^[2]

Приложения

Заряженные поверхности чрезвычайно важны и используются во многих приложениях. Например, растворы крупных коллоидных частиц почти полностью зависят от отталкивания, вызванного поверхностным зарядом, чтобы оставаться диспергированными. ^[15] Если бы эти отталкивающие силы были нарушены, возможно, добавлением соли или полимера, коллоидные частицы больше не смогли бы поддерживать суспензию и впоследствии флоккулировали бы . ^[16]

Электрокинетические явления

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

Электрокинетические явления относятся к различным эффектам, возникающим в результате двойного электрического слоя . Примечательным примером является электрофорез , где заряженная частица, взвешенная в среде, будет двигаться в результате приложенного электрического поля. ^[17] Электрофорез широко используется в биохимии для различения молекул, таких как белки, на основе размера и заряда. Другие примеры включают электроосмос , седиментационный потенциал и потенциал течения . ^[2]

Белки

Белки часто имеют группы, присутствующие на их поверхности, которые могут быть ионизированы или деионизированы в зависимости от pH, что позволяет относительно легко изменять поверхностный заряд белка. Это имеет особенно важные последствия для активности белков, которые функционируют как ферменты или мембранные каналы, в основном, то, что активный участок белка должен иметь правильный поверхностный заряд, чтобы иметь возможность связывать определенный субстрат. ^[18]

Клеи/покрытия

Заряженные поверхности часто полезны 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, чтобы они содержали ионизируемые группы, которые служат для обеспечения поверхностного заряда при погружении в водный раствор. ^[19]

Ссылки

1. «Диэлектрическая поляризация, связанные заряды и электрическое поле смещения» (PDF) .
2. Ганс-Юрген, Батт; Граф, Карлхайнц; Каппль, Михаэль (2006). Физика и химия интерфейсов . Германия: Wiley-VCH. С. 45, 55, 56, 76–82. ISBN 978-3-527-40629-6.
3. Вайсштейн, {{citation}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )
4. Nave, Carl R. (2010). "Гауссовы поверхности". Georgia State University . Получено 27 апреля 2011 г.
5. Космульски, Марек (2001), Химические свойства поверхностей материалов, Марсель Деккер
6. Льюис, JA (2000). «Коллоидная обработка керамики». Журнал Американского керамического общества . 83 (10): 2341–2359. CiteSeerX 10.1.1.514.1543 . doi :10.1111/j.1151-2916.2000.tb01560.x. 
7. Jolivet JP (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. Космульски, М; Санелюта, К (2004). «Точка нулевого заряда/изоэлектрическая точка экзотических оксидов: Tl2O3». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 280 (2): 544–545. Bibcode : 2004JCIS..280..544K. doi : 10.1016/j.jcis.2004.08.079. PMID  15533430.
9. "Истоки поверхностного заряда". Silver Colloids. 2010. Получено 27 апреля 2011 .
10. "Двойной электрический слой". Silver Colloids. 2010. Получено 27 апреля 2011 .
11. "Двойной электрический слой". 2011. Архивировано из оригинала 31 мая 2011 года . Получено 27 апреля 2011 года .
12. Эренштейн, Джеральд (200). "Поверхностный заряд" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 28 сентября 2011 . Получено 30 мая 2011 .
13. Смирнов, Джеральд (2011). "Двойной бислой" . Получено 30 мая 2011 г.
14. Грейтхаус, Джеффри А.; Феллер, Скотт Э.; МакКуорри, Дональд А. (1994). «Модифицированная теория Гуи-Чепмена: Сравнение моделей двойного электрического слоя набухания глины». Ленгмюр . 10 (7): 2125. doi :10.1021/la00019a018.
15. "Измерение дзета-потенциала". Brookhaven Instruments Ltd. 2007. Архивировано из оригинала 19 июля 2003 года . Получено 16 апреля 2011 года .
16. Хаббе, Мартин (2007). «Флокуляция коллоидов или волокнистых суспензий». Университет штата Северная Каролина . Получено 16 апреля 2011 г.
17. "Глава 4: Электрофорез - Введение". Доктор Уильям Х. Хайдкамп, кафедра биологии, колледж Густава Адольфа. 1995. Получено 30 мая 2011 .
18. Эскобар, Лора; Рут, Майкл Дж.; МакКиннон, Роберт (июль 1993 г.). «Влияние поверхностного заряда белка на бимолекулярную кинетику ингибитора пептидного калиевого канала». Биохимия . 32 (27): 6982–6987. doi :10.1021/bi00078a024. PMID  7687466.
19. Хазельберг, Роб; ван дер Снеппен, Линеке; Ариз, Фрик; Юбахс, Вим; Гуйер, Сис; де Йонг, Герхардус Дж.; Сомсен, Говерт В. (18 ноября 2009 г.). «Эффективность заряженных нековалентных полимерных покрытий против адсорбции белков на поверхности кремнезема, изученная с помощью спектроскопии затухания кольца в полости затухающих волн и капиллярного электрофореза». Аналитическая химия . 81 (24): 10172–10178. дои : 10.1021/ac902128n. ПМИД  19921852.