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、質子化或去質子化、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。

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目， q，與表面的面積， A，之比:[2]

\sigma=\frac{q}{A}

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布，表面電荷密度為

σ = Eε0

其中，E為導體的電荷產生的電場，ε0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] 帶電錶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胺基酸，比如谷氨酸在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錶面電勢的影響。[11] 古依認為，帶電錶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錶面上，而是在表面附近呈一彌散的分布。反離子濃度，C，滿足如下關係：

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

Co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布。

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]

\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) 可以展開成 sinh(x) = x + x3 / 3! + ... \approx x，λD = (8C0εε0kBT) − 1 / 2 為德拜長度，於是，得 : \sigma=\frac{\epsilon\epsilon_0\psi_0}{\lambda_D}

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，不能無限靠近帶電錶面，間距至少為奈米量級。距離帶電錶面最近一層離子稱為施特恩層。離子分布受帶電錶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

帶電錶面極其重要，有著廣泛的應用。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 和 流動電勢。[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: 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

參考來源

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