Opłata powierzchniowa - Surface charge

Ładunek powierzchniowy to dwuwymiarowa powierzchnia z niezerowym ładunkiem elektrycznym . Te ładunki elektryczne są ograniczone na tej dwuwymiarowej powierzchni, a gęstość ładunku powierzchniowego , mierzona w kulombach na metr kwadratowy (C • m ⁻² ), jest używana do opisania rozkładu ładunku na powierzchni. Potencjał elektryczny jest ciągły całej ładunek powierzchniowy, a pole elektryczne jest przerywany, ale nie nieskończonym; dzieje się tak, chyba że ładunek powierzchniowy składa się z warstwy dipolowej. Dla porównania, potencjał i pole elektryczne różnią się w dowolnym punkcie ładunku lub ładunku liniowego.

W fizyce w stanie równowagi idealny przewodnik nie ma ładunku w swoim wnętrzu; zamiast tego cały ładunek przewodnika znajduje się na powierzchni. Jednak dotyczy to tylko idealnego przypadku nieskończonej przewodności elektrycznej ; Większość ładunku rzeczywistego przewodnika znajduje się w głębi naskórka powierzchni przewodnika. W przypadku materiałów dielektrycznych , po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego, dodatnie i ujemne ładunki w materiale będą się nieznacznie przemieszczać w przeciwnych kierunkach, powodując gęstość polaryzacji w masie i związany ładunek na powierzchni.

W chemii istnieje wiele różnych procesów, które mogą prowadzić do naładowania powierzchni, w tym adsorpcja jonów, protonowanie / deprotonowanie oraz, jak omówiono powyżej, zastosowanie zewnętrznego pola elektrycznego. Ładunek powierzchniowy emituje pole elektryczne, które powoduje odpychanie i przyciąganie cząstek, wpływając na wiele właściwości koloidalnych .

Ładunek powierzchniowy praktycznie zawsze pojawia się na powierzchni cząstki po umieszczeniu jej w płynie . Większość płynów zawiera jony , dodatnie ( kationy ) i ujemne ( aniony ). Jony te oddziałują z powierzchnią obiektu. Ta interakcja może prowadzić do adsorpcji niektórych z nich na powierzchni. Jeżeli liczba zaadsorbowanych kationów przewyższa liczbę zaadsorbowanych anionów, powierzchnia miałaby dodatni ładunek elektryczny netto .

Dysocjacja powierzchniowej grupy chemicznej jest kolejnym możliwym mechanizmem prowadzącym do ładunku powierzchniowego.

Gęstość

Gęstość ładunku powierzchniowego definiuje się jako ilość ładunku elektrycznego q, który jest obecny na powierzchni danego obszaru A:

${\ Displaystyle \ sigma = {\ Frac {q} {A}}}$

Przewodniki

Zgodnie z prawem Gaussa przewodnik będący w równowadze i przenoszący przyłożony prąd nie ma ładunku w swoim wnętrzu. Zamiast tego cały ładunek przewodnika znajduje się na powierzchni i można go wyrazić równaniem:

${\ displaystyle \ sigma = E \ epsilon _ {0}}$

gdzie E jest polem elektrycznym wywołanym przez ładunek na przewodniku i jest przenikalnością wolnej przestrzeni. To równanie jest ściśle dokładne tylko dla przewodników o nieskończenie dużej powierzchni, ale zapewnia dobre przybliżenie, jeśli E jest mierzone w nieskończenie małej odległości euklidesowej od powierzchni przewodnika. ${\ displaystyle \ epsilon _ {0}}$

Koloidy i zanurzone obiekty

Kiedy powierzchnia jest zanurzona w roztworze zawierającym elektrolity , wytwarza ładunek netto. Dzieje się tak często z powodu adsorpcji jonowej. Wodne roztwory zawierają powszechnie jony dodatnie i ujemne (odpowiednio kationy i aniony ), które oddziałują z cząstkowymi ładunkami na powierzchni, adsorbując się, a tym samym jonizując powierzchnię i tworząc ładunek powierzchniowy. Ten ładunek sieciowy skutkuje potencjałem powierzchniowym [L], który powoduje, że powierzchnia jest otoczona chmurą przeciwjonów, która rozciąga się z powierzchni do roztworu, a także generalnie powoduje odpychanie między cząstkami. Im większy ładunek cząstkowy w materiale, tym więcej jonów jest adsorbowanych na powierzchni i tym większa chmura przeciwjonów. Roztwór o wyższym stężeniu elektrolitów również zwiększa rozmiar chmury przeciwjonowej. Ta warstwa jon / przeciwjon jest znana jako podwójna warstwa elektryczna .

Wartość pH roztworu może również znacznie wpływać na ładunek powierzchniowy, ponieważ grupy funkcyjne obecne na powierzchni cząstek mogą często zawierać tlen lub azot, dwa atomy, które można protonować lub deprotonować, aby uzyskać ładunek. Zatem wraz ze zmianą stężenia jonów wodorowych zmienia się ładunek powierzchniowy cząstek. Przy pewnym pH średni ładunek powierzchniowy będzie równy zero; jest to znane jako punkt zerowego ładunku (PZC). Lista powszechnych substancji i powiązanych z nimi PZC jest pokazana po prawej stronie.

Potencjał międzyfazowy

Interfejs definiuje się jako wspólną granicę utworzoną między dwiema różnymi fazami, na przykład między ciałem stałym a gazem. Potencjał elektryczny lub ładunek jest wynikiem zdolności obiektu do poruszania się w polu elektrycznym. Potencjał międzyfazowy definiuje się zatem jako ładunek znajdujący się na wspólnej granicy między dwiema fazami (na przykład aminokwas, taki jak glutaminian na powierzchni białka, może mieć deprotonowany łańcuch boczny kwasu karboksylowego w środowiskach o pH większym niż 4,1 w celu wytworzenia naładowany aminokwas na powierzchni, który stworzyłby potencjał międzyfazowy). Potencjał międzyfazowy jest odpowiedzialny za tworzenie podwójnej warstwy elektrycznej, która ma szeroki zakres zastosowań w tzw . Zjawiskach elektrokinetycznych . Rozwój teorii podwójnej warstwy elektrycznej opisano poniżej.

Helmholtz

Model nazwany „elektryczną podwójną warstwą” został po raz pierwszy wprowadzony przez Hermanna von Helmholtza . Zakłada się, że roztwór składa się tylko z elektrolitów, w pobliżu elektrody nie zachodzą żadne reakcje, które mogłyby przenosić elektrony i że jedyne interakcje Van der Waalsa występują między jonami w roztworze a elektrodą. Te interakcje powstają tylko z powodu gęstości ładunku związanej z elektrodą, która powstaje w wyniku nadmiaru lub niedoboru elektronów na powierzchni elektrody. Aby zachować neutralność elektryczną, ładunek elektrody zostanie zrównoważony poprzez redystrybucję jonów w pobliżu jej powierzchni. W ten sposób przyciągane jony tworzą warstwę równoważącą ładunek elektrody. Najbliższa odległość, na jaką jon może dotrzeć do elektrody, będzie ograniczona do promienia jonu plus pojedynczej kuli solwatacyjnej wokół pojedynczego jonu. Ogólnie obserwuje się dwie warstwy ładunku i spadek potencjału od elektrody do krawędzi warstwy zewnętrznej (zewnętrzna płaszczyzna Helmholtza). Biorąc pod uwagę powyższy opis, model Helmholtza jest z natury równoważny kondensatorowi elektrycznemu z dwiema oddzielnymi płytami ładunku, dla których obserwuje się liniowy spadek potencjału w rosnącej odległości od płytek.
Model Helmholtza, choć stanowi dobrą podstawę do opisu interfejsu, nie uwzględnia kilku ważnych czynników: dyfuzji / mieszania w roztworze, możliwości adsorpcji na powierzchni oraz interakcji między momentami dipolowymi rozpuszczalnika a elektrodą.

Gouy-Chapman

Wiele warstw ładunku ujemnego gromadzi się w pobliżu dodatnio naładowanej powierzchni, tworząc podwójną warstwę.

Teoria Gouy-Chapman opisuje wpływ statycznego ładunku powierzchniowego na potencjał powierzchni. „ Gouy zasugerował, że potencjał międzyfazowy na naładowanej powierzchni można przypisać obecności pewnej liczby jonów o danym ładunku przyczepionych do jej powierzchni oraz takiej samej liczbie jonów o przeciwnym ładunku w roztworze”. Dodatni ładunek powierzchniowy utworzy podwójną warstwę, ponieważ jony ujemne w roztworze mają tendencję do równoważenia dodatniego ładunku powierzchniowego. Jony przeciwne nie są sztywno utrzymywane, ale mają tendencję do dyfuzji do fazy ciekłej, dopóki przeciwny potencjał utworzony przez ich odejście nie ograniczy tej tendencji. Energia kinetyczna przeciwjonów będzie częściowo wpływać na grubość powstałej rozproszonej podwójnej warstwy. Zależność między C, stężeniem przeciwjonu na powierzchni, a stężeniem przeciwjonu w roztworze zewnętrznym jest współczynnikiem Boltzmanna: ${\ displaystyle C_ {o}}$

${\ Displaystyle C = C_ {0} e ^ {- ({\ Frac {\ psi ze} {kT}})}}$

Gdzie z jest ładunkiem jonu, e jest ładunkiem protonu, k jest stałą Boltzmanna, a ψ jest potencjałem naładowanej powierzchni.

Jest to jednak niedokładne w pobliżu powierzchni, ponieważ zakłada, że ​​stężenie molowe jest równe aktywności. Zakłada również, że jony były modelowane jako ładunki punktowe, a później zostały zmodyfikowane. Udoskonalenie tej teorii, znane jako zmodyfikowana teoria Gouy-Chapmana, obejmowało skończoną wielkość jonów w odniesieniu do ich interakcji z powierzchnią w postaci płaszczyzny najbliższego zbliżenia.

Potencjał powierzchniowy

Związek między ładunkiem powierzchniowym a potencjałem powierzchniowym można wyrazić równaniem Grahame'a, wyprowadzonym z teorii Gouy-Chapmana, przyjmując warunek obojętności elektroenergetycznej, zgodnie z którym całkowity ładunek warstwy podwójnej musi być równy ujemnemu ładunkowi powierzchniowemu. Korzystając z jednowymiarowego równania Poissona i zakładając, że w nieskończenie dużej odległości gradient potencjału jest równy 0, otrzymujemy równanie Grahame'a:

${\ Displaystyle \ sigma = {\ sqrt {8c_ {0} \ epsilon \ epsilon _ {0} k_ {B} N_ {a} T}} \ sinh \ left ({\ frac {ze \ psi _ {0}} {2k_ {B} T}} \ right)}$

W przypadku niższych potencjałów można rozszerzyć do = i zdefiniować jako długość Debye'a . Co prowadzi do prostego wyrażenia: ${\ Displaystyle \ sinh (x)}$${\ Displaystyle \ sinh (x)}$${\ Displaystyle x + x ^ {3} / 3! + ...}$ ${\ displaystyle \ ok}$ ${\ displaystyle x}$${\ displaystyle \ lambda _ {D}}$

${\ Displaystyle \ sigma = {\ Frac {\ epsilon \ epsilon _ {0} \ psi _ {0}} {\ lambda _ {D}}}}$

Uproszczona nakładka wielu warstw jonów i potencjału elektrycznego wraz ze wzrostem długości Debye'a. Pierwsza warstwa zaabsorbowanych jonów nazywana jest wewnętrzną płaszczyzną Helmholtza. Dalej znajduje się warstwa niespecyficznie wchłanianych, uwodnionych przeciwjonów, które reprezentują zewnętrzną płaszczyznę Helmholtza.

rufa

Model Otto Sterna podwójnej warstwy jest zasadniczo połączeniem teorii Helmholtza i Gouy-Chapmana. Jego teoria mówi, że jony mają skończoną wielkość, więc nie mogą zbliżyć się do powierzchni bliżej niż kilka nanometrów. Na odległość zwaną warstwą Sterna jony mogą być adsorbowane na powierzchni do punktu zwanego płaszczyzną poślizgu, w którym zaadsorbowane jony spotykają się z płynem w masie. Na płaszczyźnie poślizgu potencjał Ψ spadł do tego, co jest znane jako potencjał zeta . Chociaż potencjał zeta jest wartością pośrednią, czasami uważa się go za bardziej znaczący niż potencjał powierzchniowy, jeśli chodzi o odpychanie elektrostatyczne.

Aplikacje

Naładowane powierzchnie są niezwykle ważne i są wykorzystywane w wielu zastosowaniach. Na przykład roztwory dużych cząstek koloidalnych zależą prawie całkowicie od odpychania z powodu ładunku powierzchniowego, aby pozostać rozproszonymi. Gdyby te siły odpychające zostały przerwane, być może przez dodanie soli lub polimeru, cząstki koloidalne nie byłyby już w stanie utrzymywać zawiesiny i następnie ulegałyby flokulacji .

Zjawiska elektrokinetyczne

Schemat przedstawiający elektroosmozę przez szklaną kapilarę zanurzoną w roztworze wodnym.

Zjawiska elektrokinetyczne odnoszą się do różnorodnych efektów wynikających z podwójnej warstwy elektrycznej . Godnym uwagi przykładem jest elektroforeza , w której naładowana cząstka zawieszona w ośrodku będzie się poruszać w wyniku przyłożonego pola elektrycznego. Elektroforeza jest szeroko stosowana w biochemii do rozróżniania cząsteczek, takich jak białka, na podstawie wielkości i ładunku. Inne przykłady obejmują elektroosmozę , potencjał sedymentacyjny i potencjał strumieniowania .

Białka

Białka często mają grupy obecne na swoich powierzchniach, które mogą być zjonizowane lub dejonizowane w zależności od pH, co sprawia, że ​​stosunkowo łatwo jest zmienić ładunek powierzchniowy białka. Ma to szczególnie ważne konsekwencje dla aktywności białek, które działają jako enzymy lub kanały błonowe, głównie to, że miejsce aktywne białka musi mieć odpowiedni ładunek powierzchniowy, aby móc związać się z określonym substratem.

Kleje / powłoki

Naładowane powierzchnie są często przydatne do tworzenia powierzchni, które nie będą adsorbować pewnych cząsteczek (na przykład, aby zapobiec adsorpcji podstawowych białek, należy zastosować dodatnio naładowaną powierzchnię). Pod tym względem polimery są bardzo użyteczne, ponieważ można je sfunkcjonalizować tak, że zawierają ulegające jonizacji grupy, które służą do zapewnienia ładunku powierzchniowego po zanurzeniu w roztworze wodnym.

Bibliografia