表面電荷

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表面電荷即在界面處存在的電荷。有很多過(guò)程可以使表面帶電，比如離子吸附、質(zhì)子化或去質(zhì)子化、表面的化學(xué)基團(tuán)發(fā)生電離、外加電場(chǎng)。表面電荷會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，使粒子之間有排斥或吸引的相互作用，這是很多膠體性質(zhì)的成因。[1]

物體處于流體中一般都會(huì)帶上電荷。幾乎所有的流體都會(huì)含有離子，包括正離子（陽(yáng)離子）和負(fù)離子（陰離子），離子與表面會(huì)有相互作用，導(dǎo)致有離子吸附到物體表面。

另外一個(gè)表面電荷的機(jī)制是，表面的化學(xué)基團(tuán)發(fā)生電離。

目錄

表面電荷密度

主條目：電荷密度

表面電荷密度定義為電荷數(shù)目， q，與表面的面積， A，之比:[2]

\sigma=\frac{q}{A}

導(dǎo)體

根據(jù)高斯定律，處于靜電平衡下的導(dǎo)體，內(nèi)部沒(méi)有電荷，只在導(dǎo)體表面有電荷分布，表面電荷密度為

σ = Eε0

其中，E為導(dǎo)體的電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)，ε0為真空介電常數(shù)。該關(guān)系只對(duì)無(wú)限大導(dǎo)體表面成立，或距導(dǎo)體無(wú)限小處成立。[3]

膠體

化合物 化學(xué)式 零電荷點(diǎn)
三氧化鎢 WO3 0.2-0.5[4]
碳化硅 (alpha) SiC 2-3.5[5]
二氧化錳 MnO2 4-5[4]
氮化硅 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]

浸于電解質(zhì)溶液中的表面往往帶有電荷，常見(jiàn)的機(jī)制是離子吸附。[8] 帶電表面附近會(huì)有反離子富集，形成所謂雙電層結(jié)構(gòu)。[9]

表面的化學(xué)基團(tuán)如果含氧原子或氮原子，在水溶液中可能發(fā)生質(zhì)子化或去質(zhì)子化，使表面帶上電荷，此時(shí)，表面帶電受溶液中pH值的影響。在某一pH值時(shí)，表面靜電荷為零，這一pH值叫做零電荷點(diǎn)（point of zero charge，PZC）。一些常見(jiàn)物質(zhì)的零電荷點(diǎn)列于左邊表格中。

界面電勢(shì)

界面是兩相（比如固體和液體）的邊界。[1] 界面電勢(shì)就是界面上的電荷的電勢(shì)。比如蛋白質(zhì)表面的一些氨基酸，比如谷氨酸在pH值大于4.1時(shí)會(huì)發(fā)生顯著電離，使蛋白質(zhì)帶上電荷，因此會(huì)造成界面電勢(shì)。界面電勢(shì)可以解釋雙電層的形成，在動(dòng)電現(xiàn)象研究中也是一個(gè)非常有用的概念。下面簡(jiǎn)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(shè)，溶液中只有電解質(zhì)，電極附近沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，離子與電極之間只有靜電相互作用，因?yàn)殡姌O上帶有電荷。為了使界面呈電中性，要求電極表面附近，離子有特別的分布，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(jià)于一平面電容器，兩平面之間電勢(shì)與二者間距呈線性關(guān)系。

亥姆霍茲模型是描述帶電界面的基礎(chǔ)，有幾個(gè)重要因素沒(méi)有考慮：離子的擴(kuò)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(tài)表面電荷對(duì)表面電勢(shì)的影響。[11] 古依認(rèn)為，帶電表面的界面電勢(shì)由表面上的電荷及溶液中等量的反離子來(lái)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布。反離子濃度，C，滿足如下關(guān)系：

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

Co為反離子在電勢(shì)為零處的濃度， z 為離子的離子價(jià)， e 為一個(gè)質(zhì)子的電量， k 為 波耳茲曼常數(shù)， ψ 為表面附近溶液中的電勢(shì)分布。

古依-恰普曼理論缺陷在于，假設(shè)摩爾濃度與活度相等，并假設(shè)離子為點(diǎn)電荷。

表面電荷與表面電勢(shì)

表面電荷與表面電勢(shì)由格雷厄姆方程給出：[1]

\sigma=\sqrt{8C_0\epsilon\epsilon_0k_[[BT]]}\sinh\left(\frac{ze\psi_0}{2k_BT}\right) 其中，σ為表面電荷密度。

在高溫極限下，sinh(x) 可以展開(kāi)成 sinh(x) = x + x3 / 3! + ... \approx x，λD = (8C0εε0kBT) ? 1 / 2 為德拜長(zhǎng)度，于是，得 : \sigma=\frac{\epsilon\epsilon_0\psi_0}{\lambda_D}

施特恩模型

施特恩模型本質(zhì)上是亥姆霍茲模型和古依-恰普曼模型的結(jié)合。施特恩模型里，離子有一定大小，不能無(wú)限靠近帶電表面，間距至少為納米量級(jí)。距離帶電表面最近一層離子稱為施特恩層。離子分布受帶電表面影響的最大距離處為滑動(dòng)面，在滑動(dòng)面以外，為本體溶液?；瑒?dòng)面處電勢(shì)叫做界達(dá)電位，它在物理上比表面電勢(shì)更有意義。[1]

應(yīng)用

帶電表面極其重要，有著廣泛的應(yīng)用。比如，溶液中膠體要保持分散狀態(tài)完全依賴于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(huì)保持懸浮，會(huì)發(fā)生絮凝。[14]

動(dòng)電現(xiàn)象

動(dòng)電現(xiàn)象指雙電層造成的各種效應(yīng)，一個(gè)突出的例子是電泳，懸浮在介質(zhì)中的帶電粒子在外加電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)。[15] 電泳廣泛用于生物化學(xué)中，根據(jù)分子的大小和電荷區(qū)分分子，比如蛋白質(zhì)。其他例子包括電滲流、 沉降電勢(shì) 和 流動(dòng)電勢(shì)。[1]

蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)是帶電的生物分子，帶電情況對(duì)溶液中pH值非常敏感。酶蛋白和跨膜蛋白的活性依賴于帶電情況，蛋白質(zhì)活性位點(diǎn)必須有合適的表面電荷，才能與具體基底結(jié)合。 [16]

粘合劑/涂料

參考文獻(xiàn)

  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: pp. 45, 55, 56, 76–82. ISBN 978-3-527-40629-6. 
  2. ↑ Weisstein 
  3. ↑ Nave, Carl R.. Gaussian surfaces. Georgia State University [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 [27 April 2011]. 
  9. ↑ The electric double layer. Silver Colloids [27 April 2011]. 
  10. ↑ The electrical double layer [27 April 2011]. 
  11. ↑ Ehrenstein, Gerald. Surface charge. 200 [30 May 2011]. 
  12. ↑ SMIRNOV, Gerald. Double bilayer [30 May 2011]. 
  13. ↑ Zeta potential measurement. Brookhaven Instruments Ltd. [16 Apr. 2011]. 
  14. ↑ Hubbe, Martin. Flocculation of colloids or of fiber slurries. North Carolina State University [16 Apr. 2011]. 
  15. ↑ Chapter 4: Electrophoresis - Introduction. Dr. William H. Heidcamp, Biology Department, Gustavus Adolphus College [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

參考來(lái)源

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