表面电荷

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表面电荷即在界面处存在的电荷。有很多过程可以使表面带电,比如离子吸附、质子化或去质子化、表面的化学基团发生电离、外加电场。表面电荷会产生电场,使粒子之间有排斥或吸引的相互作用,这是很多胶体性质的成因。[1]

物体处于流体中一般都會带上电荷。几乎所有的流体都会含有离子,包括正离子(阳离子)和负离子(阴离子),离子与表面會有相互作用,导致有离子吸附到物体表面。

另外一个表面电荷的机制是,表面的化学基团发生电离

表面电荷密度[编辑]

表面电荷密度定义为电荷数目, q,与表面的面积, A,之比:[2]

\sigma=\frac{q}{A}

导体[编辑]

根据高斯定律,处于静电平衡下的导体,内部没有电荷,只在导体表面有电荷分布,表面电荷密度为

\sigma=E\epsilon_0

其中,E为导体的电荷产生的电场,\epsilon_0为真空介电常数。该关系只对无限大导体表面成立,或距导体无限小处成立。[3]

胶体[编辑]

化合物 化学式 零电荷点
三氧化钨 WO3 0.2-0.5[4]
碳化硅 (alpha) SiC 2-3.5[5]
二氧化锰 MnO2 4-5[4]
氮化硅 Si3N4 6-7[6]
一氧化二铊 Tl2O 8[7]
氧化铜 CuO 9.5[5]
一氧化镍 NiO 10-11[5]

浸于电解质溶液中的表面往往带有电荷,常见的机制是离子吸附。[8] 带电表面附近会有反离子富集,形成所谓双电层结构。[9]

表面的化学基团如果含氧原子或氮原子,在水溶液中可能发生质子化或去质子化,使表面带上电荷,此时,表面带电受溶液中pH值的影响。在某一pH值时,表面静电荷为零,这一pH值叫做零电荷点(point of zero charge,PZC)。一些常见物质的零电荷点列于左边表格中。

界面电势[编辑]

界面是两相(比如固体和液体)的边界。[1] 界面电势就是界面上的电荷的电势。比如蛋白质表面的一些氨基酸,比如谷氨酸在pH值大于4.1时会发生显著电离,使蛋白质带上电荷,因此会造成界面电势。界面电势可以解释双电层的形成,在动电现象英语Electrokinetic phenomena研究中也是一个非常有用的概念。下面简要描述双电层的理论。

亥姆霍兹模型[编辑]

双电层模型是赫尔曼·冯·亥姆霍兹最早引入的。亥姆霍兹模型假设,溶液中只有电解质,电极附近没有化学反应,离子与电极之间只有静电相互作用,因为电极上带有电荷。为了使界面呈电中性,要求电极表面附近,离子有特别的分布,形成一层电荷,中和电极表面上的电荷。离子与电极之间的距离,最小为离子的半径加上离子的溶剂化球半径。即亥姆霍兹模型等价于一平面电容器,两平面之间电势与二者间距呈线性关系。

亥姆霍兹模型是描述带电界面的基础,有几个重要因素没有考虑:离子的扩散与混合、离子可能的吸附、溶剂偶极矩与电极之间的相互作用。 [10]

古依-恰普曼模型[编辑]

古依-恰普曼理论描述了静态表面电荷对表面电势的影响。[11] 古依认为,带电表面的界面电势由表面上的电荷及溶液中等量的反离子来确定。[12] 反离子不是仅仅束缚在带电表面上,而是在表面附近呈一弥散的分布。反离子浓度,C,满足如下关系:


C=C_0e^{-(\frac{\psi ze}{kT})}

C_o为反离子在电势为零处的浓度, z 为离子的离子价, e 为一个质子的电量, k 为 波耳兹曼常数, ψ 为表面附近溶液中的电势分布。

古依-恰普曼理论缺陷在于,假设摩尔浓度与活度相等,并假设离子为点电荷。

表面电荷与表面电势[编辑]

表面电荷与表面电势由格雷厄姆方程给出:[1]


\sigma=\sqrt{8C_0\epsilon\epsilon_0k_BT}\sinh\left(\frac{ze\psi_0}{2k_BT}\right)

其中,\sigma为表面电荷密度。

在高温极限下,\sinh(x) 可以展开成 \sinh(x) =  x + x^3/3!+... \approx x\lambda_D=(8C_0\epsilon\epsilon_0k_BT)^{-1/2}德拜长度,于是,得

\sigma=\frac{\epsilon\epsilon_0\psi_0}{\lambda_D}

施特恩模型[编辑]

施特恩模型本质上是亥姆霍兹模型和古依-恰普曼模型的结合。施特恩模型里,离子有一定大小,不能无限靠近带电表面,间距至少为纳米量级。距离带电表面最近一层离子称为施特恩层。离子分布受带电表面影响的最大距离处为滑动面,在滑动面以外,为本体溶液。滑动面处电势叫做界达电位,它在物理上比表面电势更有意义。[1]

应用[编辑]

带电表面极其重要,有着广泛的应用。比如,溶液中胶体要保持分散状态完全依赖于胶体之间的排斥相互作用。[13]如果排斥力被减弱,比如加入盐或高分子链,胶体粒子可能不会保持悬浮,會发生絮凝[14]

动电现象[编辑]

动电现象指双电层造成的各种效应,一个突出的例子是电泳,悬浮在介质中的带电粒子在外加电场驱动下运动。[15] 电泳广泛用于生物化学中,根据分子的大小和电荷区分分子,比如蛋白质。其他例子包括电渗流沉降电势英语sedimentation potential流动电势英语Streaming potential[1]

蛋白质[编辑]

蛋白质是带电的生物分子,带电情况对溶液中pH值非常敏感。酶蛋白和跨膜蛋白的活性依赖于带电情况,蛋白质活性位点必须有合适的表面电荷,才能与具体基底结合。 [16]

粘合剂/涂料[编辑]

参考文献[编辑]

  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=为空 (帮助)
  3. ^ Nave, Carl R. Gaussian surfaces. Georgia State University. 2010 [27 April 2011]. 
  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]. 
  9. ^ The electric double layer. Silver Colloids. 2010 [27 April 2011]. 
  10. ^ The electrical double layer. 2011 [27 April 2011]. 
  11. ^ Ehrenstein, Gerald. Surface charge. 200 [30 May 2011]. 
  12. ^ SMIRNOV, Gerald. Double bilayer. 2011 [30 May 2011]. 
  13. ^ Zeta potential measurement. Brookhaven Instruments Ltd. 2007 [16 Apr. 2011]. 
  14. ^ Hubbe, Martin. Flocculation of colloids or of fiber slurries. North Carolina State University. 2007 [16 Apr. 2011]. 
  15. ^ Chapter 4: Electrophoresis - Introduction. Dr. William H. Heidcamp, Biology Department, Gustavus Adolphus College. 1995 [30 May 2011]. 
  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]. doi:10.1021/bi00078a024. PMID 7687466.  http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/bi00078a024