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。表面電荷會(huì)產(chǎn)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(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
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]
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，ε0為真空介電常數(shù)。該關(guān)系只對(duì)無限大導(dǎo)體表面成立，或距導(dǎo)體無限小處成立。[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：
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)](/images/math/b/d/a/bda0e857b02e76b725db46bb48bafe6d.png)
其中，σ為表面電荷密度。
在高溫極限下，sinh(x) 可以展開成 sinh(x) = x + x3 / 3! + ... 
x，λD = (8C0εε0kBT) ? 1 / 2 為德拜長度，于是，得 : 
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。滑動(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)
- ↑ 1.0 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.
- ↑ Weisstein
- ↑ Nave, Carl R.. Gaussian surfaces. Georgia State University [27 April 2011].
- ↑ 4.0 4.1 Marek Kosmulski, "Chemical properties of material surfaces", Marcel Dekker, 2001. Retrieved 30 May 2011
- ↑ 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
- ↑ 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
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- ↑ SMIRNOV, Gerald. Double bilayer [30 May 2011].
- ↑ Zeta potential measurement. Brookhaven Instruments Ltd. [16 Apr. 2011].
- ↑ Hubbe, Martin. Flocculation of colloids or of fiber slurries. North Carolina State University [16 Apr. 2011].
- ↑ Chapter 4: Electrophoresis - Introduction. Dr. William H. Heidcamp, Biology Department, Gustavus Adolphus College [30 May 2011].
- ↑ 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
參考來源
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